автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.17, диссертация на тему:Разработка и применение элементов теории преобразования сигналов изображений в системах прикладного телевидения

МИНИСТЕРСТВО СВЯЗИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Московский технический университет связи и информатики

РГ6 од

9 7 май 'с^а

На правах рукописи

Безруков Вадим Николаевич

РАЗРАБОТКА И ПРИМЕНЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ ТЕОРИИ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СИГНАЛОВ ИЗОБРАЖЕНИЙ В СИСТЕМАХ ПРИКЛАДНОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ

Специальность 05.12.17 - Радиотехнические и телевизионные системы

и устройства

Автореферат диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук

Москва 1996

Работа выполнена в Московском техническом университете связи и информатики на кафедре телевидения.

Официальные оппоненты:

Зав. отделом Института космических исследований, лауреат Ленинской премии, проф., д.т.н. Аванесов Г.А.

Начальник отделения Российского НИИ космического приборостроения, лауреат Государственной и Ленинской премий, проф., д.т.н. Селиванов A.C.

Профессор кафедры радиотехнических приборов Московского энергетического института (технического университета), д.т.н. Сизов В.П.

Ведущее предприятие:

АО Всероссийский НИИ телевидения и радиовещания.

Защита диссертации состоится ИН>НЯ 1996 г. в час. на заседании диссертационного совета Д118.06.01 в Московском техническом университете связи и информатики по адресу: 111024, Москва, ГСП, ул. Авиамоторная, 8а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского технического университета связи и информатики.

Автореферат разослан л_1996г.

Учёный секретарь диссертационного о д.т.н., профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Для современных систем прикладного телевидения (СПТ) характерна сложная цепь операций (элементов) последовательной функциональной обработки сигналов изображений (СИ) на этапах проецирования и преобразования "свет-сигнал", формирования и коррекции телевизионного сигнала (ТВС), кодирования, передачи и приема ТВС, декодирования, формирования и коррекции принятого ТВС, преобразования "сигнал-свет" и, наконец, контроля ТВС и воспроизведенных изображений. Значительное число и последовательный характер преобразований видеоинформации (ВИ) обусловливают при этом накопление искажений в результирующем телевизионном (ТВ) изображении. Уменьшение степени накопления искажений возможно в результате проведения сквозного теоретического анализа, выбора и взаимного согласования характеристик всей последовательности элементов процесса преобразования СИ.

На уровне теоретического выбора характеристик СПТ должно быть обеспечено, в частности, жесткое согласование параметров ВИ с характеристиками преобразователя "свет-сигнал" (ПСС). Первым этапом этой сложной задачи является этап выявления требований к ограничивающим характеристикам ПСС в СПТ. Данный этап может быть реализован для конкретной СПТ на основе результатов, полученных при теоретических и экспериментальных исследованиях специфики многомерного спектра (МС) контролируемых объектов. Другим необходимым элементом является теоретическое установление критериев по отражению исходной структуры МС на выходе СПТ. Исходные данные здесь определяются функциональным назначением СПТ и для различных пользователей отличаются не только в количественном, но и в качественном отношении. Соответственно для каждого варианта функционирования СПТ должна быть разработана частная модель объекта наблюдения, охватывающая критические (по информационной нагрузке) режимы работы СПТ. Неравномерность текущей информационной нагрузки является следствием неравномерности текущего МС исходного воздействия. Следовательно, в реальных СПТ необходимо проводить исследования предельных параметров МС исходного воздействия.

Экспериментальные исследования предельных параметров МС затруднены сложностью реализации аппаратуры с удовлетворительными по протяженности и изотропности характеристиками во всем спектральном пространстве. Затраты же на эксперимментальный контроль параметров МС ВИ с анизотропными характеристиками обычно не окупаются из-за ограниченного числа пользователей. Актуальной в связи с последним на современном этапе развития СПТ является разработка элементов теоретического исследования специфики МС ВИ

на входе ПСС. При этом можно выделить относительно небольшой по числу круг операторов, описывающих поведение объектов контроля в поле зрения СПТ. Выбранный круг операторов должен обеспечить выявление в объеме спектрального пространства зон анизотропии структуры МС объектов.

Высокая степень неравномерности текущей информационной нагрузки характерна для трансформаций структуры МС контролируемых объектов в условиях масштабных, масштабно-временных, фазовых и фазо-временных преобразований ВИ во входном звене СПТ. В литературе фактически нет методик анализа соотвествующих изменений МС ВИ, возникающих в СПТ. Задача создания соответствующих методов анализа является безусловно актуальной.

Последующие искажения и преобразования структуры СИ возникают в процессе проецирования, т.е. в оптическом тракте СПТ на передающей стороне. Для данного этапа функциональных преобразований СИ практически отсутствуют элементы теоретического учета влияния амплитудных искажений на спектр СИ, слабо разработаны принципы анализа пространственных импульсных и аппроксимации амплитудно-частотных характеристик оптического тракта СПТ.

Далее по аналогичной причине актуальными являются разработки элементов теории анализа спектров СИ различной формы, формирования отсчетов ВИ, характеристик ограничения протяженности МС в ПСС, принципов построения и анализа структур дискретизации ТВ изображений и других элементов теории преобразования и контроля СИ в СПТ, представленных в материале данной диссертационной работы.

Последовательное обогащение элементов теории преобразования СИ позволит в конечном итоге перейти к машинному проектированию функциональных элементов и СПТ.

Целью диссертационной работы является разработка и применение принципов, элементов и алгоритмов для сквозного теоретического анализа характеристик последовательности операций преобразования СИ в СПТ с учетом специфических особенностей функционирования последних, основных параметров и структуры СИ, условий контроля, передачи, воспроизведения и специфических искажений ВИ в элементах СПТ. Достижение поставленной цели обусловило необходимость разработки элементов теории анализа специфики изменений МС ВИ на входе СПТ с ограничением (по числу круга) операторов, описывающих относительные пространственно-временные преобразования объекта контроля в поле зрения СПТ, и разработки принципов выбора граничных параметров и характеристик в СПТ по форме частных характеристик МС СИ.

В области применения теоретических результатов целью диссер-

тационной работы является разработка эффективных методов и 'устройств обработки ВИ и контроля характеристик в СПТ с преобразованием спектра СИ.

Состояние вопроса и задами исследования. Отечественными учеными внесен значительный вклад в разработку методов анализа-и выбора характеристик СПТ. Важное значение имели работы Катаева С.И. , Шмакова П.В., Новаковского C.B., Самойлова В.Ф., Кривошее-ва М.И., Игнатьева Н.К., Красильникова Н.И. , Цуккермана И.И., Брауде Г.В., Рыфтина Я.А. и многих, многих других представителей отечественной науки. И все же к настоящему времени не завершен процесс создания комплекса элементов теории преобразования СИ, позволяющего анализировать промежуточные и сквозные характеристики процессов функционирования СПТ различных типов и, следовательно, обеспечивать на этапе проектирования СПТ получение необходимого вида таких характеристик.

Для современной теории СПТ характерна асимметрия, возникшая из-за преимущественного развития методов анализа операций обработки одномерного СИ. Разработанные элементы теории преобразований одномерных СИ реально задают и тенденции, последующего развития элементов теории преобразования многомерных СИ, что связано с необходимостью взаимного сопряжения теоретических результатов, полученных на соответствующих (раздельных) этапах преобразований. Соответственно разрабатываемые элементы теории должны быть адаптированы к уже существующим элементам теории анализа операций преобразования СИ в СПТ или представлять собой частный или - общий случай по отношению к уже существующим элементам теории. Разрабатываемые элементы теории должны быть также жестко сопряжены с тонкой спецификой построения и функционирования СПТ.

Разрабатываемые элементы теории должны быть доступны широкому кругу пользователей, что определяет необходимость базирования математического аппарата теоретических исследований на традиционных для теории связи методах. Целесообразно, следовательно, продолжить дальнейшую разработку методов теоретического анализа с многократными последовательными переходами в спектральную область и обратно. При этом облегчается учет частных преобразований СИ идентичных видов, осуществляемых на различных этапах функционирования СПТ.

Безусловно актуальными являются разработки СПТ с предварительной обработкой СИ в оптическом тракте. Выигрыш в данном случае в первую очередь, по-видимому, скажется на энергопотреблении и качестве работы СПТ. Недостаточное внимание в связи с этим уделяется в настоящее время разработке методов теоретического исследо-

вайия специфики МС объектов с предварительными преобразованиями их структуры во входном (оптическом) звене СПТ. Такое преобразование трансформирует структуру спектра контролируемых объектов и, в конечном итоге, задает рабочие характеристики реальных СПТ.

Слабо отражены также в технической литературе элементы теории преобразования ВИ в оптическом тракте современных СПТ, недостаточно разработаны методы исследования МС объектов заданной формы, в неполном объеме представлены элементы теории дискретизации СИ, анализа характеристик преобразования "свет-сигнал" и др.

Методы исследований. На основе использования многомерных преобразований Лапласа и Фурье в работе исследуются спектральные и спектрально-временные характеристики преобразований ВИ в СПТ. Прямой анализ при этом затруднён значительной сложностью математического моделирования и исследования соответствующих процессов. Упрощение задачи достигается за счёт использования параметрического описания характеристик процесса преобразования СИ, переходами к полярным и другим видам систем координат и параметрических сечений, преобразования Ганкеля и т. д.

Приближённое описание характеристик и сигналов осуществлялось на основе разработанного метода дискретно-ступенчатого представления с последующей свёрткой одномерных и многомерных функций при нормировании и учёте результатов дифференциального ана-. лиза характеристик. Интегральное преобразование (свёртка) на завершающем этапе подавляет ошибки дискретно-ступенчатой аппроксимации и анализа в одномерном и многомерном пространствах.

Свёртка многомерных и одномерных функций использовалась также при разработке элементов теории формирования отсчётов и ансамбля отсчётов в СПТ.

Сочетание теории интегральных преобразований с дискретно-ступенчатым представлением характеристик в трёхмерном пространстве позволило разработать метод анализа действующей апертуры и характеристик ПСС различных типов. Элементы теории дискретизации и цифровой обработки СИ в многомерном пространстве были трансформированы с учётом реальных условий функционирования СПТ. В ходе разработки элементов теории преобразования СИ применялись также методы, основанные на таких направлениях, как теория передачи изображений, радиотехнических цепей, численных и итерационных методов, систем и сигналов, функций комплексной переменной, функций и функционального анализа, линейная алгебра и геометрия.

Научная новизна работы. В процессе работы над материалом диссертации получены следующие новые научные результаты:

1. Показана целесообразность использования параметрической

фиксации последовательности плоскостей (плоскости), последовательности линий (линии) или точек (точки) в анализируемом информационном пространстве при выполнении многомерного преобразования Фурье и исследования характеристик, соответствующих заданным пространственно-временным изменениям в структуре обьектов наблюдения.

2. На основе параметрического подхода и учета действия операторов пространственно-временных преобразований в виде соответствующих изменений координат, положения, масштаба и формы контролируемых обьектов в информационном пространстве получены общие соотношения, позволяющие выявить специфику соответствующих трансформаций в структуре МС обьектов и оценить предельные параметры МС с учетом формы и ориентации областей анизотропии последнего, возникающих в обьеме информационного пространства.

3. На основе параметрического подхода и учета действия операторов масштабно-пространственных преобразований доказана возможность возникновения в структуре МС СИ "взаимной трансформации пространственных частот", отражающих горизонтальную и вертикальную структуру контролируемого обьекта.

4. Показана эффективность использования при анализе и выборе характеристик и предельных параметров элементов обработки ВИ в СПТ переходов к исследованию дифференциальных составляющих, соответствующих анализируемым характеристикам, и обратных переходов.

5. Разработана методика дискретно-ступенчатой (переодической и непериодической) аппроксимации многомерных характеристик и использования при анализе характеристик свертки аппроксимирующего ряда с весовой функцией. Выбор аппроксимирующего ряда сопряжен с выбором весовой функции. Обоснованы требования к характеристикам и параметрам весовых функций.

ч6. Определены принципы анализа спектральной плотности двумерных функций ограничения различных типов с последовательным выполнением в спектральной области ряда простейших преобразований, являющихся отражением соответствующих преобразований в реальной области, конечным результатом совокупности которых является анализируемая функция ограничения.

7. Результаты исследования спектральных характеристик одномерных и двумерных функций ограничения различных конфигураций с использованием мультипликативного усечения протяженности типовых (идеализированного типа) функций ограничения.

8. Доказана справедливость положения о том, что особенности изменения формы действующей апертуры в пространстве растра электронно-лучевого ПСС (ЭЛ ПСС) могут быть выявлены за счет

анализа изменений формы действующей апертуры во времени в фиксированной точке пространства растра.

9. С использованием аппроксимации апертурной характеристики и апертуры получено новое соотношение, устанавливающее в ЭЛ ПСС связь между апертурной характеристикой и периодом строк растра, и разработан численный метод анализа формы действующей апертуры и, следовательно, апертурной характеристики, базирующийся на общепринятой модели, параметрах и характеристиках ЭЛ ПСС.

10. Результаты анализа особенностей ограничения пространственного спектра (ПС) сигнала изображения в матричных преобразователях "свет-сигнал" (МПСС).

11.Принципы, методы и результаты анализа характеристик спектра структур дискретизации СИ.

12. Методы и результаты анализа, особенности выбора и контроля характеристик и параметров элементов обработки ТВС в СПТ.

13.Новые способы, алгоритмы и устройства обработки ВИ в СПТ с преобразованиями спектра СИ.

Практическая ценность исследований и их применения . Практическая ценность диссертации состоит в том, что разработаны новые методы анализа, использование которых позволяет осуществить обоснованный выбор параметров и формы характеристик конкретных элементов и последовательности элементов обработки ВИ в СПТ и создает основу для построения соответствующих алгоритмов и устройств, отличающихся высокой эффективностью работы.

Включенные в диссертацию результаты получены в ходе выполнения в 1970-1993г.г. научно-исследовательских работ в соответствии с постановлениями СМ СССР N915-301 от 14.11.78г., ГКНТ СССР N1370 от 04.11.1991г., приказом Министерства науки, высшей школы и технической политики РФ I 788Ф от 31.03.1992г., а также в соответствии с х/договорами с предприятиями НИИ телевидения, МНИ-ТИ, ВНИИТР, ПО "Астрофизика", НПО "Физика", ЦНИИМАШ, ЦНИИТМАШ, НИИСТ МВД, ОКБ МЭИ, НПО "Орион". Практические применения находят следующие результаты работы:

- методика и результаты исследования структуры МС контролируемых обьектов;

- алгоритмы согласования предельных параметров МС и характеристик при анализе элементов обработки ВИ в СПТ;

- алгоритмы аппроксимации характеристик при анализе элементов обработки ВИ в СПТ;

- разработанный способ аппроксимации характеристик при анализе СПТ с использованием свертки аппроксимирующего ряда и весовой функции (ряда весовых функций);

- алгоритмы исследования и выбора характеристик многомерных функций ограничения протяженности СИ и спектра;

- методика, результаты исследования и согласования характеристик статической и действующей апертуры ЭЛП с параметрами растра в СПТ;

- результаты исследования характеристик и параметров элементов обработки ТВС в видеотракте СГ1Т;

- результаты анализа методов контроля характеристик и параметров элементов обработки сигнала в СПТ;

- разработанные новые алгоритмы, способы, устройства обработки, преобразования СИ и контроля характеристик элементов СПТ.

Результаты диссертационной работы использованы и внедрены на предприятиях: НИИ телевидения, ВНИИТР, ПО "Астрофизика", ОКБ МЭИ, НИИСТ МВД и др., в работах аспирантов, в учебном процессе.

К ним относятся следующие результаты, полученные при применении разработанных в данной работе методов анализа характеристик элементов обработки ВИ в СПТ:

- принципы построения,алгоритмы работы и выбора характеристик элементов формирования,обработки и преобразования СИ в СПТ, предназначенных для автоматического выделения сигнала изменений во времени, соответствующего контролируемым объектам;

- алгоритмы обработки видеосигнала в СПТ с масштабно-пространственными преобразованиями спектра ТВ изображения;

- алгоритмы преобразований сигналов в СПТ со сжатием спектра на основе многомерной дискретизации по группам элементов;

- выбор характеристик и параметров элементов формирования, преобразования и обработки СИ в СПТ высокого пространственного, временного и пространственно-временного разрешения;

- алгоритмы последовательного контроля характеристик СПТ;

- новые способы и устройства формирования, обработки и преобразования СИ и контроля характеристик элементов для СПТ различного назначения. Формы и объем внедрения результатов подтверждены соответствующими актами.

Основные положения, выносимые на защиту диссертации.

1. Методы, результаты и принципы оценки результатов качественного анализа МС СИ с параметрической фиксацией одного, двух и более направлений в информационном пространстве и соответствующей дискретизацией исследуемой функции для ограниченного круга операторов преобразования ВИ, выбранное число и типы которых обеспечивают учет основных вариантов анизотропного преобразования структуры МС изображений в современных СПТ.

2. Дискретно-аналоговые методы приближенной аппроксимации

характеристик элементов обработки ВИ в СПТ с изменением порядка и точности аппроксимации и с интегральной оценкой последнего из указанных параметров и принципы подавления ошибок приближенной аппроксимации.

3. Методы, алгоритмы и результаты анализа спектральной плотности многомерных функций ограничения различных типов с использованием усечения протяженности типовых функций ограничения.

4. Принципы выбора и коррекции формы функции (ансамбля функций) ограничения.

5. Разработанная методика, полученные соотношения и результаты анализа временных, апертурных характеристик и действующей апертуры в электронно-лучевых (матричных) ПСС.

6. Общие принципы, методы и результаты анализа характеристик спектра структур дискретизации СИ.

7. Методика согласования спектральных характеристик многомерных структур дискретизации и спектра СИ.

8. Результаты, алгоритмы и особенности применения разработанных методов анализа для выбора, расчета и контроля характеристик и параметров СПТ и элементов ТВ аппаратуры.

9. Новые алгоритмы, способы, устройства обработки, преобразования СИ и контроля характеристик элементов в СПТ.

Апробация и публикации результатов работы.

Материалы диссертации были доложены на следующих конференциях и семинарах : ,

- 11 Всесоюзная Школа-семинар "Статистические свойства микроструктур", г.Москва, 1971г.;

- научно-техническая конференция,посвященная дню работников связи и 50-летию образования СССР, г.Куйбышев, 1972г.;

- III Всесоюзное научно-техническое совещание, г.Москва, 1980г.;

- Всесоюзная научно-техническая конференция, г.Львов, 1984г.;

- Всесоюзная научно-техническая конференция, г.Рига, 1986г.;

- Всесоюзная научно-техническая конференция, г.Новосибирск, 1986г.;

- Республиканская научно-техническая конференция "Техника и современность. Этапы развития и основные направления совершенствования", г.Ташкент, 1988 г.;

- Всесоюзная научно-техническая конференция, г.Минск, 1988г.;

- XIII Mezinarodni symposium "Interkamera", Praha, 1989;

- IV Межрегиональная научно-техническая конференция "Совершенствование технической базы, организации и планирования телевидения и радиовещания", г.Москва, 1992г.

Включенные в диссертацию основные научные результаты опубликованы в 39 статьях в периодических изданиях и книгах,

и

выпускаемых центральными и ведомственными издательствами, отражены в 56 авторских свидетельствах.

Структура и объём работы.

Работа состоит из введения, 8-ми глав, заключения, списков основных обозначений и аббревиатур, содержит 450 страниц машинописного текста, 69 рисунков (на 72 листах), список литературы (включающий- наименования отечественных и зарубежных источников, в том числе 95 работ автора) на 14 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении даётся общая характеристика, обоснованы актуальность, цель и задачи работы, показаны направления и методы исследований,научная новизна и практическая ценность полученных результатов, представлены основные положения диссертационной работы, выносимые на защиту.

Глава1. Анализ структуры спектра контролируемых объектов в системах телевидения с масштабными преобразованиями во входном звене.

Ближайшие перспективы практического применения преобразований данного типа велики, так как есть все условия для реализации схемотехническим путём масштабных преобразований фактически любого вида и, в том числе, обратного по отношению к корректирующим масштабным преобразованиям ВИ, например, в оптическом звене СПТ.

В разделе 1.1 исследуются особенности структуры спектра контролируемых оъектов в СПТ с масштабно-пространственными изменениями ВИ. Показано, что параметрический анализ с фиксацией точек, линий, плоскостей даёт эффект при решении частных и общих задач анализа МС ВИ. Фиксация периодических последовательностей, например, линий (строк) эквивалентна дискретизации анализируемой функции в выбранном при проведении анализа направлении. Для возврата в спектральном пространстве к спектру исходной функции необходимо умножить сумму спектров, соответствующих отдельным линиям, на ограничивающую функцию, позволяющую подавить в реальном пространстве дискретизацию и возвратиться в спектральном пространстве к приближённому аналогу спектра анализируемой функции.

Масштабно-пространственные преобразования анализировались для варианта преобразования масштаба обьекта О(х,у,0 в соответствии с частным и общим операторами. Согласно полученным результатам, масштабно-пространственные преобразования сопровождаются преобразованиями ВИ по амплитуде, пропорциональными соответствующей функции якобина 3С(Х,У). Относительные величины сопутствующих амплитудных преобразований могут в несколько раз превышать относитель-

ные изменения координат точек. Масштабно-пространственные преобразования проявляются и изменениями структуры высокочастотной части ПС, которые с увеличением крутизны преобразования смещаются в область относительно низких пространственных частот. При этом характерны не только изменения масштаба структуры ПС, но и взаимная трансформация пространственных частот горизонтальной и вертикальной структуры исходного воздействия.

В общем случае оператор масштабно-пространственных преобразований может быть представлен оператором:

О(х,у,0-»Оп(Х,У,0; х = х£ркх(Х,У), у = У]Грку(Х, У), 1 = 1.

к=0 к=0 Тогда вид функции якобиана определяется не только видом Рк1(Х,У) и

Рку(Х,У), но и структурой частных производных и ^'¿у'

Локальные участки с большой крутизной изменения функций Р\х(Х,У) и Рку(Х,У) могут вызывать при этом появление локальных выбросов значительной интенсивности функции 3С(Х,У). Сопутствующие выбросы появляются и в преобразованном воздействии. Амплитуда выбросов модулируется по величине участками функции исходного воздействия. В спектральной области имеет место расширение спектра преобразованного воздействия за счет составляющих спектра, связанных с модулированными по амплитуде выбросами. Изменение структуры текущего спектра исходного воздействия при масштабно-пространственных преобразованиях, в первую очередь, затрагивает участки изображения с относительно большой протяженностью ПС.

Раздел 1.2 работы посвящен качественному анализу структуры спектра контролируемых объектов в СПТ с масштабно-временными изменениями ВИ. Оператор преобразований данного типа определен соотношением:

X = —-—, У = —~—, г = г. Здесь г - параметр. Якобиан пцО.г) тД^г)

= г)туО, г) = ц0(*) В большинстве случаев

тх(Ы = 1 + цох(0; ту0,г) = 1 + цоу(0.

Спектр составляющей 0(Х, У, 1) отражается соотношением:

. [¿[Уц.,(()01(Х.У.<Ц lJa'[YV.,(l)O,(X,Y.0]| t [а'[ХУи„(0ц.Д1)О,(Х,У,1)]|

1 5у J + 2Li s'y | + L{ 3xôy }■(!)

2 | З'хЗу J 2 I ЗхЗ! y

1 fa* [x'YV.,(t)n'.y(t)Oi(X, Y, t)]

+ 4 [ 32x3'y

Полученное выражение (1) показывает, что при масштабно-временных преобразованиях ВИ имеет место суммирование (вычитание) с исходным воздействием изменяющихся во времени его же дифференциальных в пространстве составляющих. Скорость изменения исходного воздействия во времени при этом определяется спецификой функции зависимости масштаба воздействия вдоль осей х,у во времени и координатами точек воздействия в пространстве. При очень малой крутизне преобразования масштаба изменения во времени затрагивают лишь участки ПС со значительными величинами частных производных последнего (по осям в спектральном пространстве).

Исследован частный вариант масштабно-временных преобразований ВИ когда масштаб контролируемых объектов периодически изменяется во времени.

В материале раздела 1.3 рассмотрены особенности выбора параметров динамических во времени вариаций масштаба объектов в СПТ с визуальным контролем ВИ. Предполагается функционирование зрения в виде системы, охваченной отрицательной обратной связью в диапазоне низких временных и пространственных частот. Адаптационные механизмы обеспечивают при этом рассогласование характеристик глаза со структурой неконтролируемых объектов, автоматически уменьшая воздействие таких объектов на наблюдателя.

Эффективный визуальный контроль масштабируемых во времени объектов обеспечивается за счет совмещения составляющих ВС процесса масштабирования с диапазоном на оси временных частот от О до 5 Гц. Степень расширения ВС функции масштабирования определяется, согласно соотношению: Р = + кy(w Д)]'I'mxMmy

где Кх(юхХ), K?(o„Y) - коэффициенты, учитывающие структуру ПС ВИ; ц1П>, цту - отражают интенсивность вариациий масштаба по осям X и У. Для случая восприятия ТВ изображений величина P^IO. Вводится понятие и соотношение для предельной протяженности ВС процесса масштабирования, которая определена выполнением интегрального соотношения:

Js((w)dco - |s,(co)dcú / JS,(ü>)do -o o Jo

Sr(iü) - спектр процесса масштабирования. Отсюда определяется и допустимая протяженность самого процесса изменения масштаба во времени т. Для визуального восприятия с линейным изменением масштаба получено т > 3 сек. Следовательно, в условиях, когда длительность цикла изменения масштаба на ТВ экране превышает значение в три секунды, наблюдатель, при линейном законе изменения масштаба во времени, не воспринимает динамику самого процесса масштабирования.

Глава2. Анализ структуры спектра контролируемых объектов в системах телевидения с фазовыми преобразованиями видеоинформации во входном звене.

Одним из вариантов работы СПТ является вариант контроля объектов относительное положение (фаза в пространстве растра) которых по определенному закону изменяется во времени. Большинство современных СПТ. например, работает в условиях действия на датчик СИ хаотических микросмещений в направлении ортогональном поверхности земли. Использование фазовых преобразований ВИ позволяет также осуществить режекцию, анизотропные ограничения ПС и другие предкоррекции ВИ в СПТ.

В разделе 2.1 проведен анализ спектра движущихся со скоростью «иев контролируемом СПТ информационном пространстве объектов. Рассмотрен вариант: 0(х, у, t) —>• Оп (X, Y, t);

X = х + uxt,Y = у + uyt,х = X-oxt, у = Y- uyt; {2) их = ue eos 0, uy = ue sin 0, u0 = const, t = t. Соответствующий (2) оператор спектрального преобразования имеет вид:

0(х, у, t) S(PX, Ру. Pt); 0(Х, Y, t) -> Sn (Px, Py. P,) = K(PX, Py, Pt) • S(PX, Py, Pt При этом якобиан Jc=l. Тогда преобразование по Лапласу

Sn(P- РУ р'} = р_р,Р' Р ííí0(x- Y' <)e*P[-jP»X - ipyy -

M *x"x "yUy G"

Соответствующее изображение по Фурье имеет вид:

Sn(jfflx,jm ,jco) = K(jcox,jo> jco)S(jcBx,j<ü jffl) = —----S(jo ,jco ,jco)- (3)

со-<oxüx-toyuy '

С учетом (3) движение объектов с постоянной скоростью сопровождается эффектом преобразования воздействия в пространство с измененным масштабом по оси времени и вызывает появление локальных максимумов в пространственно-временном спектре воздействия.

В реальных условиях и8 * const, т.е. нарушается постоянство скорости движения объекта. Учет нарушений обусловливает сглаживание функции К(юх,(ву)са) в выражении (3):

Sn(jcox,jffiy, jco) = К(сох,соу,со) ® KUe(ffl)S(cox,<uy,co).

В содержании раздела 2.2 анализируется структура спектра объектов при относительном вращении анализирующей системы телевидения. Рассмотрен вариант вращения с постоянной скоростью и при фиксированном расстоянии вдоль продольной оси СПТ (Z=const). Оператор соответствующего преобразовния имеет вид: 0(x,y,t)-> On(X.Y.t) при

X = X • cosco0t - у • sin co0t, Y = x • sin co0t + у • COS G)0t, t = t.

(4)

При вращении (4) возникают соответствующие изменения спек-тра:0(х,у,0 -> 5(Рх,Ру,Р,); О(Х,У,0 -> 5п(Рх,Ру,Р().

Спектр вращающегося объекта представлен в общем виде интегральным соотношением, исследование которого проведено при фиксации х = х0; у = у0; х =-х0. у = у0; х = х0, у = -у0: х = -х0, у = -у„.

При переходе к действительным переменным спектр, например, первой составляющей (х = Хд, у = у0) вращающего объекта приведен к виду:

Q,(P„P,.P,) =

30(ыхх0) + +2£rk3k(ffirxx0)cos kco0t

ЗОКуо)-2£

(-DM-

|(т»Уо)

:i{(2k + l)ca0t}

30(шух0) + 2]Г

Н)кГ

(biy Xq )

ft sin{(2k + l)co0t}

+2]T (-0kiJk32k (<D,y0)cos(2k<B0t) k«l

30(rayy0)+ i"k3k(coyy0) cos k<a0t

(5)

+2£ Н)кГ2к35к (иух0)соБ(2км01) кЧ

Сопоставление выражения (5) и свойств функций Бесселя показывает, что спектр оператора вращения существенно зависит от координат рассматриваемой точки вращающегося объекта.

Действие оператора вращения отражается возникновением в соответствующем спектре объекта составляющей временной частоты, структура которой определяется спектром оператора вращения и зависит от координат точек вращающегося объекта. Для фиксированных пространственных частот увеличение координат сопровождается увеличением степени зависимости ВС от значения пространственной частоты и проявлением дискретной структуры ВС. Амплитуда гармонических составляющих временной частоты при этом повышается и увеличивается протяженность ВС, минимально возможное значение которой составляет величину в 6н-8 раз

большую частоты вращения.

В преобразованном вращением спектре контролируемого объекта имеют место смещения .составляющих ВС в области верхних пространственных частот. В структуре же ВС возникают максимумы и минимумы, местоположение и интенсивность которых определяются интенсивностью и местоположением составляющих ПС объекта. Частоты гармоник, составляющих ВС, при этом возрастают с увеличением координат точек информационного пространства, в которых реализуют контроль таких гармоник, и с увеличением частот гармоник, составляющих ПС объекта в неподвижном положении.

В разделе 2.3 проведено исследование характеристик спектра объектов в системах телевидения с квазипериодическими фазо-временными преобразованиями информации. Квазипериодические фа-зо-временные преобразования ВИ осуществляются за счет заданных относительных смещений контролируемых СПТ. Сущностью подобных преобразований являются относительные периодические смещения контролируемых объектов в направлениях ортогональных оптической оси. Рассмотрен оператор смещений типа:

X = х + рМсоэфШ, У = у + р(0этф(0; I = 1. (6) Соответствующий (6) якобиан ,1с=1. С учетом этого анализируется оператор спектрального преобразования объекта: О(х,у,0 -> 5(Рх,Ру>Р,); О(Х,У,0 5п(Рх,Ру1Р,).

Для случая юхр(0со5ф(0 « 1 и гаур(0$шф(0 « 1 выражение

для спектра преобразованного объекта имеет структуру следующего вида:

5П(Р..Р„Р.) - Lft(X, У.,)} - + , t

a[p'(i)cos' ф(Ро,(х.у. о]

д\

(7)

Lfa[p<t)sin4>(t)Q,(X.Y.oyi | 1 fa[p'(0sin4>(t)O|(X.Y.t)]l ia[p'(t)cosT(tbinip(t)0|(X.Y. 1)|

l ъ J + 2 1 a'y Г i dxa* J"

В соответствии с соотношением (7) случаи сравнительно незначительных по пространству смещений воздействия во времени могут моделироваться суммированием исходного воздействия с его же дифференциальными в пространстве составляющими, промодулированными во времени функциями вида p"cos°<p(t), pm cosp cp(t)... , отражающими интенсивность и направление смещения. При этом сопутствующие изменения ВС воздействия имеют место только в области верхних пространственных частот. Для неизменного во времени исходного воздействия результатом преобразования является возникновение в результирующем спектре составляющих временных частот. ВС преобразованного воздействия при этом полностью определяется видом функций p(t) и cp(t).

Частными случаями фазо-временных преобразований являются случаи с <p(t) = const или. p(t) = const.

При анализе варианта с cp(t) = const =ср осуществлен переход от координат х,у к координатам

X = X cos ф + Y sin ф и Y = X sin ф - Y cos ф, Pj = Рх cos ф + Ру sin ф, Ру = Рх sin ф - Ру cos ф. Оператору "периодических линейных смещений" исходного1 воздействия соответствует, например, вариант p(t) = Ycosca0t. При этом спектр объекта, подвергнутого преобразованию, может быть представлен двумя составляющими:

Sn(Px.Py.P1) = -[S(o)i,cúy,co) + S(o3i,ojy,cü)®Rn(cos,cüí,(o)]. (8) R(ffl¡,ю„,м) = Lixpfp(t)P.lj= R0(o)j,6) и) + Rn(co = ,ciK,o>) = тс5(со) + — ] л6(со.) + —

I L ili L ja>l j<V

1

я5(шЛ + -

Í to,

+ [ii5(ca - ko0) + я8(ш + ko30)j3kj k " " '

Jt5(cos) + —- п5(ш„) + —

jco-J_ К

При нечетных К функция 5k|^k cül'^°ü)oj = является не-

четной. Реализация свертки в соотношении (8) эквивалентна в таком случае дифференцированию исходного воздействия по оси Y. При четных

К функция g>'fY°C0-j = j является четной. С выполне-

нием свертки в таком случае связано появление в результирующем спектре 5п(сох,соу,со) составляющих, обуславливающих изменение во времени

структуры ПС в области низких пространственных частот. В условиях фиксации о = ксо0 имеет место наличие дискретной структуры в пространственном спектре 5п(сох,Шу,кю0), нули которого определяются корнями указанной функции Бесселя.

При p(t) = const =а X = х + асоэфСО,Y = у + аБШфО); Зс = 1. Анализ данного варианта был осуществлен с переходом от координат х,у к координатам

X = X + a cos ф(0 + a, Y = у + a sin ф(0 + а; Зс = 1. Проанализирован частный вариант "периодических круговых смещений". Полученные результаты свидетельствуют о возникновении в результирующем ВС бесконечного числа составляющих с временными частотами, кратными частоте ш0. Рассмотренный оператор "периодических круговых смещений" отличается от оператора "периодических линейных смещений" по структуре пространственно-временного спектра. Данному оператору характерно относительное возрастание амплитуды спектральных составляющих в области низких пространственных частот ш„-*0,соу->0. Сопоставление свойств функций Бесселя и структуры полученных соотношений позволяет, кроме того, сделать вывод о том, что при величинах

параметров о „а и шуа < 0.45 можно не учитывать влияние оператора круговых смещений "на ПС исходного воздействия". При дальнейшем же увеличении параметров соха и оуа имеет место резкое падение относительной амплитуды составляющих спектра, соответственно, в области верхних пространственных частот.

По действию на пространственно-временной спектр исходного воздействия оператор "периодических линейных смещений" отнесен к операторам дифференциального типа, а оператор "периодических круговых смещений" - к операторам интегрального типа. ГлаваЗ. Амплитудно-пространственные преобразования видеоинформации в оптическом тракте систем телевидения.

Амплитудно-пространственные и амплитудно-временные преобразования имеют место в оптической системе (ОС) ТВ камеры из-за действия операторов ограничения ВИ в реальной и спектральной областях, которые полностью определяют особенности структуры преобразованного воздействия Оп(х,у, t).

Содержание раздела 3.1 посвящено амплитудным искажениям ВИ в оптическом тракте СПТ.

ВИ на входе ОС представлена в виде суммы:

O(x,y,t) = F0+F(x,y,t),

где Fo, F(x,y,t)- средняя и переменная составляющие ВИ.

Вводится относительный общий коэффициент оптической передачи ОС, который является функцией аргументов х,у,(й,,соу.

Кпос = Кос(х,у)-Кп х(х,у,Шх.ву).е-1*(в"Ч (9)

Кос(х,у) отражает в (9) зависимость Кпос(х,у) от координат х, у в плоскости изображений; Кп х(х,у,(ох,(йу)- зависимость Кпос от пространственной частоты в точке плоскости изображения с координатами х,у: ф(£о„,шу) - фазовую характеристику ОС.

При сох -> 0 и юу -» О ВИ на выходе ОС описывается соотношением: Оп(х,у, t) = 0(х, у, t)K0C(x,y) = F0Koc(x,y) + F(x,y,t)Koc(x,y).

С переходом к полярным координатам и с применением преобразования Ганкеля рассмотрены спектры Sk^ox,coy^ функций Кос(х,у) характерного для ОС вида.

Если спектр функции F(x,у, t)— V(cox,a>y,co) , то результирующий спектр ВИ на выходе ОС отражается соотношением

Sn(сох,соу,со) = F0Sk((ox,(úy) + V(a>x,iúy,cú)® Sk(cox,coy). (10)

Таким образом, зависимость коэффициента передачи Кос(х,у) от координат х,у в плоскости изображения сопровождается появлением адци-

тивной (неравномерность) и мультипликативной мешающих составляющих в воздействии на выходе ОС. Изменяется при этом и спектр воздействия на выходе оптической системы.

Согласно (10), в данном случае имеет место интегральное усреднение (искажение) тонкой структуры спектра контролируемого воздействия. Чем больше относительная величина неравномерности, тем большая степень указанных интегральных искажений ПС ВИ, обусловленных влиянием ОС. Коррекцией в электрическом тракте искажения могут быть устранены, но сохраняются сопутствующие данному фактору ухудшения отношения сигнал/шум, связанное с неэффективным использованием амплитудного диапазона в ПСС. Визуально контролируемый размер ТВ изображений лежит в пределах до 20°. Общая неравномерность изображений в СПТ не должна составлять более 10%. При этом отпадает необходимость в коррекции искажений такого рода.

В разделе 3.2 анализируются пространственные импульсные характеристики (ПИХ) изотропного оптического тракта СПТ. Проведение анализа ПИХ связано с аппроксимацией коэффициента передачи реальной ОС. Необходимо в таком случае выполнить условия по критерию осуществимости Пэли-Винера.

Рассмотрены варианты оценки выполнения указанного критерия для случаев аппроксимации общего коэффициента передачи системы произведением или суммой составляющих коэффициентов передачи.

При проведении анализа кроме того используются варианты аппроксимации заданного коэффициента передачи Кр„(]со)по локальным последовательным участкам на оси частот.

п

При ЭТОМ Кре,(]'Сй) = ]ГК;(]Сй,СО;)РДсО,СО;),

где К.^со.Ш;)- функция, аппроксимирующая частный коэффициент передачи в участке частот от согдо со¡+,; БДсй,«;)- ступенчатая функция1, обеспечивающая разделение участков аппроксимации по оси частот. Тогда условие осуществимости имеет вид:

у - 1 ' '¿со, 0 < со, < °0 . (11)

и ■; 1 + ш

Интеграл (11) в пределах от 0 до со( и в пределах от со, до оо сходится или расходится одновременно, если между 0 и со, подинтегральное выражение не обращается в бесконечность. Соответственно в диапазоне рабочих частот функция аппроксимации должна обеспечивать максимальную точность аппроксимации, а в диапазоне более высоких частот должно обеспечиваться и выполнение условия осуществимости. Функция вида (11), обеспечивающая необходимое приближение по участкам, может до-

пускать наличие разрывов первого рода на границах сопряжения смежных участков аппроксимации. Последнее считается возможным в условиях дальнейшего использования аппроксимирующего выражения в качестве подинтегральной функции.

Зависимость коэффициента передачи ОС от пространственной частоты Кп (х, у,юх,юу) чаще всего обладает симметрией по отношению к оптической оси. В качестве функции аппроксимации предложено выражение:

Кп (сох, соу, х, у) = ехр|-(1 + а2*х2 + а2уу2)• Рх • + ш21. (12)

Разработана методика анализа ПИХ ОС СПТ, одним из достоинств которой является учет местоположения ПИХ за счет введения в обратное преобразование Фурье фазовой характеристики. В результате получено выражение для ПИХ, соответствующее (12):

Ьо(х.у),,0 - [ + «У + «У ]/ + + (| + а'х2 + а2уУ2?|

По экспериментальным данным выбраны параметры, входящие в соотношение (12). Представлены результаты расчета ПИХ реальных ОС.

В разделе 3.3 разрабатываются принципы анализа ПИХ анизотропного тракта СПТ. Вариантом аппроксимации Кп (сох,соу,х,у) данного типа является выражение:

Кп К,шу,х,у) = ехр^р2[1 + аУ}>1 + р2[1 + а2у2]о2 .(13)

По аналогичной, как и в случае аппроксимации соотношением (12) методике, определяется соответствующая (13) ПИХ, проводится исследование данной характеристики. Разработаны принципы применения соотношений, полученных для изотропного оптического тракта, при исследовании характеристик анизотропного оптического тракта. Рассмотрен вариант аппроксимации Кп(а>х,юу,х,у) разностью соотношений типа (12).

Эффективное использование результатов анализа ПИХ ОС жестко увязано с необходимостью конкретизации параметров соответствующих пространственных частотных характеристик. Разработанная в связи с последним методика конкретизации области пропуска: ния пространственной частотной характеристики ОС основывается на дискретно-ступенчатой аппроксимации и дифференцировании.

Реализуется сравнение видов аппроксимации с предложенным вариантом при нормировании функций аппроксимации. Относитель-

ный анализ частотных характеристик ОС проведен с нормированием по области пропускания.

Глава 4. Исследование спектра сигналов заданной в контролируемом пространстве формы.

Учет тонкой специфики сопряженного с формой обьектов МС позволяет ограничить требования к характеристикам и параметрам элементов СПТ и, следовательно, упростить решение задачи ее реализации. Необходимо при этом учитывать особенности спектра простейших (элементарных) составляющих в структуре ансамбля контролируемых изображений. Суперпозиция простейших составляющих позволяет получить представление и о структуре МС более сложных эталонных изображений. С другой стороны синтез, например, испытательных изображений, имеющих заданный вид МС, может базироваться на обращении функции спектра необходимого вида в реальную функцию.

Материал главы 4 сочетает применение традиционных методов анализа с разработкой методов и алгоритмов приближенного анализа спектров одномерных и двумерных составляющих структуры ТВ изображений.

Соотношениями раздела 4.1 представлены результаты проведенного с использованием преобразования Фурье исследования спектров элементарных функциий пространственной структуры изображений. Непосредственным интегрированием получены спектральные плотности для двумерных пространственных функций эллиптического цилиндра, эллипсоида, эллиптического параболоида, полусферы, прямой призмы, пирамиды, конуса и др.

Элементарные функции пространственной структуры изображений, имеющие сечения плоскостью XOY в виде круга или эллипса, отражаются в спектральном пространстве модификациями отношений функций Бесселя к своему аргументу. Элементарные функции, имеющие сечения плоскостью XOY в виде прямоугольника или ромба, отражаются в спектральном пространстве соотношениями между функциями типа sine. Ориентация анизотропии сечении спектра и самой функции являются ортогональными.

Разработанный метод приближенного анализа спектров одномерных составляющих структуры изображений рассматривается в разделе 4.2. Предложено рассматривать функцию ограничения K(t)

как результат свертки ступенчатой функции-прототипа H(t, и функции преобразования cp(t), где тг координаты скачков функции-прототипа. В общем случае свертка может быть представлена следу-

аз п

ющим образом: к(о= (фОД^а-^т,.^,^. (и) '

_оэ ¡=1

Делается вывод о том, что форма функции преобразования пол-

ностью соответствует производной от функции ограничения. Координаты же, отражающие информацию о ступенчатой функции, определяются локализацией превышающих пороговое значений модуля такой производной.

Нормированием исключается зависимость общей амплитуды функции ограничения K(t) от выбора конкретного вида функции преобразования <p(t). Если, SK(co)- спектр функции ограничения, Sv((o) -спектр нормированной функции преобразования, a S„(io) - спектр ступенчатой функции, то Sk(o>) = S4,(m)Sh(co). (15)

Любая из составляющих уравнения (15) может быть определена по виду других двух составляющих. Особенности применения предложенного метода анализа определяются структурой соотношений (14, 15), которые используются при выполнении вычислений для конкретных случаев. Разновидностью, например, соотношения (14) является вариант, когда функция ограничения представляется как раздельная свертка с функцией преобразования положительных и отрицательных скачков заданной амплитуды из суммы таких скачков, последовательно во времени отражающих форму соответствующей сту-

» л

пенчатой функции: K(t)= (16)

-ОО i

где Aj - коэффициент, учитывающий амплитуду относительного скачка ступенчатой функции и знак скачка; C^t.-t,) - функция скачка; х, -координата скачка; (pj(t) - функция преобразования для каждого из скачков. Согласно соотношению (16), общий спектр функции ограничения определяется в данном случае суммой следующего вида:

п

SK((£l) = ZAiSci(®)-sv,(m)- Sd(co) - спектральная плотность соответствую-¡=1 '

щих единичных скачков; S^(co) - спектральная плотность каждой из функций преобразования; п - число скачков.

Основным преимуществом разработанного метода анализа спектральной плотности сложных по форме функций ограничения является переход к анализу спектров функций преобразования, реальное число которых может быть резко уменьшено по сравнению с числом возможных вариантов формы функций ограничения.

В разделе 4.3 показаны особенности приближенного анализа спектров двумерных составляющих структуры изображений. При этом предварительно вводится понятие двумерного единичного скачка Н(х,у), который отражается произведением соответствующих одномерных скачков Н(х) и Н(у). Представлены различные варианты простейших преобразований одномерных единичных скачков. Одним из результатов проведения таких преобразований является

единичная ступенчатая функция параллелепипеда:

Н(х,у. тх, ту) = Н{х - т„}Н{у - ту1}- Н{х - Тх0 + 1)}н{у - ту| }- (1у)

- Н{х - т^Н^у - -су(| + 1)}+ Н{х - тх0 + 1)}Н{у - ту0 + 1) .

Рассмотрен вопрос анализа формы двумерной функции, полученной сверткой двух параллелепипедов. При этом использовано соотношение для исследуемой двумерной функции ограничения в следующем виде:

К(х,у) = К]"]<р(!;,и)£рд(х - %.У ~ о.тх1,ту,№, (18)

-оо ¡ = 1

где ср(х,у)- функция преобразования, Н(х,у)- ступенчатая функция-прототип.

В соответствии с полученным соотношением (17) ступенчатая функция параллелепипеда отражается суммой четырех простейших функций. Следовательно, результирующая двумерная функция ограничения может быть получена в данном случае последовательным выполнением свертки (18) для каждого из четырех двумерных скачков и алгебраическим суммированием полученных результатов в соответствующих участках пространства. Особенностью формы результирующей функции является "эффект поворота ребер сечения" до совпадения их с осями координат при относительно больших уровнях её сечений.

Процедура решения задачи анализа спектральной плотности двумерных функций ограничения различного типа может упрощаться за счет последовательного выполнения в спектральной области ряда преобразований, являющихся отражением соответствующих преобразований в реальной области, конечным результатом совокупности которых является анализируемая функция ограничения. При этом целесообразно провести анализ для функции ограничения с определенной ориентацией в реальной области, обеспечивающей упрощение необходимых преобразований в спектральной области. Затем осуществить коррекцию полученного выражения. Поворот, например, воздействия на угол относительно оси 02 может быть учтен в выражении спектральной плотности заменой юх и шу на сох0 и Шуд:

сох9 = шх соэб — соу 51П0; соу0 = сох этО + ®у собО. (19)

Выражения (19) свидетельствуют о том, что поворот функции ограничения сопровождается значительными изменениями соотношения спектральной плотности, соответствующего преобразованной таким образом функции ограничения.

Рассмотрены особенности и алгоритмы анализа спектральной плотности функций ограничения типа призма, пирамида и др. Любая функция ограничения с той или иной точностью может быть представлена в общем

случае ограниченной (по числу) совокупностью ступенчатых функций элементарного вида. В других случаях может дать эффект приближенное представление (аппроксимация) функции ограничения лишь определенным типом функций, например, простейшими функциями типа призм и пирамид, усеченных пирамид и т.д. Увеличение точности такого представления функции ограничения достигается увеличением числа граней (углов) аппроксимирующей поверхности. В таком случае резко увеличивается число составляющих общего выражения для спектральной плотности. Глава 5. Исследование характеристики формирования отсчетов видеоинформации в системах телевидения.

В материале данной главы особое внимание уделено исследованию и выбору характеристик формирования отсчетов одномерного и двумерного вида. Полученные результаты имеют общее значение.

Содержание раздела 5.1 посвящено формированию дискретных отсчетов в спектральной зоне контролируемого пространства.

На примере спектрального пространства в данном разделе исследуются характеристики отсчетов одномерного вида.

Выделенный в спектральной зоне отсчет описывается интегральным соотношением:

00 со

¡5(х,у,и„)= |35(х,уД0Нха-);№4с1Х. (20)

—со —со

Полученное выражение (20) показывает, что в системах спектрального (спектрозонального) телевидения операция интегрального усреднения реализует ограничение спектра исходного воздействия как функции от аргумента X.. Указанное ограничение отражается в частотной области произведением соответствующих спектров функций ограничения Нх(Х) и исходного воздействия, а в реальной области сверткой таких функций. При этом в реальной области подавляется тонкая структура воздействия как функция аргумента X. Данное преобразование носит интегральный характер, затрагивая насыщенность изображений. Выделение же усредненного (отфильтрованного) отсчета исходной функции реализуется в данном случае за счет фильтрующего свойства 5- функции. Выбор вида функции Нх(Х.) в системах спектрозонального телевидения в основном и определяет фактический сигнал отсчета.

Анализируются характеристики функций ограничения, полученных однократной сверткой прямоугольных функций в условиях вариации отношения К между длительностями указанных функций. Введены и другие параметры формы функции ограничения: эффективная протяженность, предельная протяженность, которые определяются результатом решения соотношений интегрального типа. В соответствии с полученными результатами в условиях изменений функций ограничения от чисто прямоугольного вида до треугольного увеличение степе-

ни подавления высокочастотной структуры воздействия имеет место в диапазоне значений параметра формы К от 0,6 до 0,85. При выборе значения К=0,613 обеспечивается повышенная эффективность подавления высокочастотной структуры в диапазоне ука>0,7; при К^О.8 - в диапазоне у,. о-1,0^1,5.

В разделе 5.2 представлены результаты, полученные в работе при выполнении относительного анализа и выбора параметров формы одномерных функций ограничения спектра ВИ. Рассматривается случай двухэтапной свертки прямоугольных функций. Полученные выражения позволяют находить конкретные соотношения многоэтапной свертки для различных значений параметра формы функции ограничения К^ который представляет собой на данном (0 этапе отношение длительностей используемой функции преобразования и исходной прямоугольной (не подвергнутой преобразованию) функции. Приводится соотношение свертки для К,=0; 0,25; 0,5; 0,75; 1,0 и К2=1.

Относительную оценку формы результирующих функций ограничения целесообразно осуществлять в условиях эквивалентности площадей и сравнения рассматриваемых функций с функциями прямоугольного и гаус-совского вида. Необходимо ориентироваться при этом на выявление функций, имеющих пониженную сложность формы и в реальном и в спектральном пространствах.

Важной особенностью многоэтапной свертки прямоугольных функций с фиксацией величины параметра К2=2 является то, что различные вариации величиной К, дают приближение к гауссовской форме функции ограничения. В качестве критерия приближения рекомендуется использовать разность площадей функций спектральной плотности, соответствующей данному этапу свертки, и гауссовской при выравнивании последних по уровню, например, 0,5 в фиксированной точке на оси частот.

Задача разработки дискретно-интегральных методов анализа и коррекции характеристик спектра одномерных отсчетов ВИ решается в разделе 5.3. Проводится сопоставление методов аппроксимации функций ограничения (отсчетов). Вводятся понятия допустимой (в среднем) и относительной погрешностей аппроксимации. Интегральная оценка относительной погрешности позволяет выявить ее накопление в заданном интервале изменения аргумента.

Уменьшение погрешностей связано с точностью аппроксимации переходных участков в структуре анализируемой функции. Наименее эффективным является вариант, когда реальная функция ограничения

аппроксимируется ступенчатой функцией Н(А.) . Функция преобразования в таком случае имеет вид 5- функции. Результатом аппроксимации является представление (замена) анализируемой функции суммой единичных функций или функций типа гес^ Спектр функции

также суммой

Н(А.) , выполняющий аппроксимацию отражается функций, например, типа зтс(ух).

Случай, когда функция преобразования описывается функцией типа гес! считается аппроксимацией второго порядка. Дальнейшее наращивание порядка аппроксимации связано с дальнейшей трансформацией формы функций преобразования и обеспечивает эффективное подавление искажений анализируемой спектральной характеристики, обусловленных дискретно-ступенчатой аппроксимацией конкретной функции ограничения.

В системах спектрозонального телевидения полный ансамбль функций ограничения располагается в пределах общей зоны (окна) усечения всей последовательности функций ограничения. Для такого случая характерны асимметричные условия формирования функций ограничения Кх(Х), прилегающих к границам общей зоны. С учетом того, что функции типа гес^Х) и бшсМ являются по существу базовыми для анализа, рас-смотриваются вопросы асимметричного усечения таких функций. Получено общее соотношение для спектра усеченных функций типа зтс(Х).

Частным случаем двухстороннего усечения функции ограничения формы 5тс(шХ|)А.) является случай симметричного (по отношению к началу координат) усечения, когда А., = Х2. Характеристика спектральной плотности такой функции ограничения определяется учетом указанного равенства:

Результаты расчета с использованием соотношения (21) характеристик спектральной плотности для различных значений параметра Р = Х.,шХо показаны на рис.1. В частности, характеристика, представленная графиком 1 соответствует параметру Р = п, графиком 2 - Р =1,57:, графиком 3 - Р =2я, графиком 4 - Р = 3я, графиком 5 - Р = 4л. Сопоставление результатов расчета позволяет сделать вывод о том, что наиболее интенсивно процесс оптимизации формы характеристики спектральной плотности функции ограничения имеет место при увеличении параметра Р от Р = л до Р = 3тг.

Рис.1

В материале раздела разработаны принципы оптимизации характеристик с использованием вспомогательных компенсирующих и формирующих функций, показанных графиками 6, 7, и 8 (рис.1).

Целесообразной, в частности, является оптимизация за счет взаимного использования смежных по ансамблю характеристик ограничения.

В качестве примера на рис.2а представлен ансамбль из пяти зон ограничения. Характеристика ограничения К10(Х) симметрична. Характеристики ограничения, удаленные от центра зон, асимметричны по форме, чем учитывается приближение к границе общей зоны. Суммированием и вычитанием с определенными весами соответствующих каждой из зон сигналов могут быть сформированы, в соответствии с требованиями, разработанными в данном разделе работы, эквивалентные характеристики ограничения отдельных зон, первая и третья из которых (граничная и центральная) показаны на рис.2б. Разница в амплитудах эквивалентных функций ограничения, показанных на рис.2б, обусловлена необходимостью уравнивания центральных и приграничных зон в "окне" по амплитуде спектральных плотностей в области низких частот. Роль функции "окна" резко возрастает при уменьшении числа зон в пределах "окна".

к

Рис.2

Характеристики преобразования ВИ в отсчет сигнала в ограниченной двумерной зоне исследуются в разделе 5.4. Формирование отсчета ВИ в двумерной зоне во многом аналогично формированию в одномерной зоне. Соответственно в разделе 5.4, как и в разделе 5.1, получены интегральные соотношения для двумерного отсчета и предельной протяженности спектра двумерной функции ограничения Яху(шх,сау). При этом сама двумерная функция ограничения отсчета К(х,у) аппроксимируется результатом свертки ступенчатой функции аппроксимации и функции преобразования ф(х,у):

К(х,у) = к | {фМ^Р/^х-^у-х^.у^и, (22)

.«о ¡"1

где С^(х,у) - функция единичного скачка;

Pj - весовой множитель, учитывающий амплитуду скачка.

В результате анализа соотношения (22) сделан вывод о том, что

форма двумерной функции преобразования определяется смешанной производной второго порядка от функции ограничения в участках последней, которым соответствуют идеальные двумерные скачки ступенчатой функции аппроксимации. Предлагается с качестве ансамбля базовых функций преобразования использовать функции типа куб, параллелепипед, цилиндр, Бесселя, конус и т.д., характеристики спектров которых определены в предшествующих разделах работы. При изотропном усечении базовой функции ограничения типа Бесселя минимизация искажений соответствующей характеристики спектральной плотности в области низких пространственных частот обеспечивается выбором усекающих поверхностей (например, цилиндров), проходящими через линии корней функции Бесселя, которая имеет нулевой порядок.

Прототипом изотропного усечения базовой функции ограничения зтс(х,у) является вариант усечения по форме двумерных ступенчатых функций - типа параллелепипед. Минимизация искажений соответствующей спектральной плотности в области низких пространственных частот обеспечивается в точках, где обьем указанной усеченной функции равен 712 /4. Двумерные функции ограничения различных типов представлены соотношениями, в состав которых входят ряды базовых функций. Если К(х,у) - функция ограничения, то выражение для такой функции имеет

п

следующий вид: К(х,у) = Х!А1Н|(х.У) + ДК(х>У).

¡=1

где Н|(х,у) - двумерная базовая функция, ДК(х,у) - разностная функция, отражающая ошибку аппроксимации.

Вводятся понятия и получены соотношения для абсолютной (в среднем) и относительной погрешностей аппроксимации, текущего накопления погрешности аппроксимации в заданном интервале изменения аргументов х,у. Для их минимизации необходимо анализировать §гас1К(х,у). Направление данного вектора, в условиях, например, постоянства формы и размера приращения площади аппроксимации, определяет в пространстве анализа ориентацию зоны приращения. Направление минимального по размеру одномерного сечения такой зоны должно совпадать с направлением gradK(x,y). В участках резкого возрастания gradK(x,y) необходимо уменьшать размер зоны приращения. В участках локальных особенностей функции К(х,у) форма зоны аппроксимации должна адаптироваться учетом формы сечения функции К(х,у) плоскостью фиксированного уровня, проходящей через точку максимального значения величины ■ ^гас1К(х,у)|.

Целесообразно чаще всего осуществлять аппроксимацию первого порядка чисто ступенчатыми функциями типов "цилиндр" и параллелепипед. Реализация аппроксимаций второго, третьего и т.д. порядков связана с расчетом или выбором типа функции преобразования. Разработана мето-

дика выполнения расчета функции преобразования. Преимуществом обладает вариант, когда функция преобразования имеет идентичный вид для всех фрагментов аппроксимирующей ступенчатой функции. Подобный вариант может быть реализован за счет увеличения числа ступеней аппроксимирующей ступенчатой функции в зонах перепадов повышенной протяженности.

Принцип аппроксимации переходных зон, основанный на применении свертки, дает очень высокую точность аппроксимации даже в таких условиях, когда при выборе функции преобразования допускаются заметные погрешности в отражении формы реальной функции. Достоинством такого варианта является высокая эффективность подавления мешающей функции, отражающей динамику изменения интенсивности ошибок первичной структуры, например, ступенчатой аппроксимации.

Применение принципа дискретно-ступенчатой аппроксимации коэффициента передачи устройства обусловливает целесообразность введение аналогичной ступенчатой аппроксимации для характеристики, являющейся эквивалентной в пространственной области понятию характеристики группового времени распространения сигнала. Это дает возможность учесть относительные (по отношению ко входному сигналу) фазовые перераспределения спектральных составляющих в выходном (для данного устройства) СИ. В случаях исследования характеристик устройств нелинейного типа целесообразно принцип дискретно-ступенчатой аппроксимации распространить и на амплитудный диапазон. Относительный вес каждой ступени аппроксимации в выходном соотношении для спектра устанавливается при этом по результатам ступенчатой аппроксимации коэффициента передачи амплитуды сигнала.

Глава 6. Анализ характеристик ограничения протяженности пространственного и временного спектра сигнала изображений в преобразователях "свет-сигнал".

Для всех датчиков TBC характерны ограничения протяженности MC выходной ВИ, которые возникают из-за влияния операций усреднения при преобразовании энергии воздействия в потенциальный рельеф и при считывании последнего. Ограничивающие преобразования ПС ВИ в ЭЛ ПСС рассмотрены в разделе 6.1. Получено соотношение для величины граничной частоты процесса преобразования в вертикальном направлении по растру: о>у = 1,65 / Ьу0, где Ьу0- параметр гауссовской частотно-

контрастной характеристики (ЧКХ) ЭЛ ПСС. Определяется результирующее выражение для ЧКХ и апертуры ЭЛ ПСС.

В разделе 6.1.1. разрабатываются принципы анализа структуры действующей апертуры ЭЛ ПСС. Апертура представлена в виде действующей и отраженной составляющей, каждая из которых является функцией координат в пространстве и скорости сканирования растра. Математически доказывается положение о, том, что особенности изменений формы действу-

ющей в пространстве апертуры могут быть выявлены за счет анализа изменений формы действующей апертуры во времени в фиксированной точке пространства растра. Далее разрабатывается алгоритм и осуществлена аппроксимация апертуры ЭЛП ступенчатой функцией. Вводится допущение о том, что распределенное сопротивление по сечению электронного луча определяется величиной, обратно пропорциональной функции статической апертуры.

С учетом всего этого разработана методика расчета формы действующей апертуры для общепринятой модели ЭЛ ПСС. Представлены результаты расчетов функции действующей апертуры для различных значений параметра величина которого обратно пропорциональна скорости сканирования и пропорциональна интенсивности тока луча. Полученные результаты свидетельствуют о том, что увеличение интенсивности тока луча и уменьшение скорости сканирования сопровождаются эквивалентными трансформациями формы действующей апертуры. Вид сечений расчетной функции действующей апертуры плоскостями постоянного уровня для значения £=0,25 показан на рис.3.

Характеристики спектра действующей апертуры и, следовательно, апертурная характеристика ЭЛП может быть получена с использованием преобразований Фурье. При этом функцию действующей апертуры целесообразно аппроксимировать суммой прямоугольных функций, ориентацию продольного размера которых целесообразно выбрать совпадающей с направлением строк растра.

Если {(Е) - световая характеристика ПСС, а Е- интенсивность входного воздействия, то функция производной с1КЕ) / с!Е определяет изменение чувствительности ("величины коэффициента преобразования") в зависимости от величины аргумента Е. По виду функции производной может быть оценена величина коэффициента преобразования для каждой составляющей ряда прямоугольных функций, аппроксимирующих апертуру ОС. Влияние световой характеристики на спектр апертуры ЭЛП проявляется относительным перераспределением уровня составляющих в областях высоких и низких частот. Использование усреднения результатов анализа, соответствующих ступеням сечения функции аппроксимации апертуры луча при этом подавляет ошибки ступенчатой аппроксимации и негативное влияние последних на общий результат анализа. Дифференцирование действующей апертуры в ЭЛ ПСС "подчеркивает" ошибки, а интегрирование (усреднение) компенсирует указанное "подчеркивание".

Содержание раздела 6.1.2 посвящено анализу пространственных частотных характеристик процесса преобразования "свет-сигнал" в ЭЛ

ПСС мозаичного типа (супервидикон). Поэтапно здесь рассмотрен процесс преобразований сигнала в супервидиконе. В результате получено соотношение для ЧКХ общего процесса преобразований "свет-сигнал":

К00((Йх,(оу) = ехр(-ЬХош^ - )Ф2(щх>шу )А(ых,соу),

где bXo ,Ьуо- параметры, определяющие характеристику оптического тракта супервидикона; Ф(сох,соу)- спектр элемента мозаики;

А(сах,<эу) = ехр(-Ь^дШ^ - ЬуАиу) - апертурная характеристика ЭЛ

ПСС. Рекомендуемое соотношение между периодом следования мозаичных

, . 3,3 2 л

элементов х0 и Ь,^ имеет следующий вид: -— = —.

Наличие мозаики принципиально ограничивает разрешающую способность за счет влияния на ЧКХ преобразователя формы и размера элемента мозаики. С уменьшением апертуры луча должно быть согласовано уменьшение элемента мозаики.

В содержании раздела 6.2 исследуются особенности пространственного спектра воздействия в МПСС.

Роль статической апертуры в таком случае выполняет отдельный светочувствительный элемент МПСС. Доказывается, что максимальная длительность сечения отдельного элемента МПСС не должна превышать одной четверти от периода следования последних. Процесс преобразования "свет-сигнал" существенно влияет на ЧКХ МПСС типа ПЗС. Основным фактором является в данном случае неэффективность переноса зарядовых пакетов. Предлагается вариант модели однократного переноса в виде независимых интегрирующих цепей с отличающимися постоянными времени, сигналы с которых суммируются. В соответствии с выбранным вариантом модели импульсная характеристика однократного переноса представлена в виде суммы: t

H(t) = Xaie RiC° > где cij - весовой коэффициент i-той составляющей; i

R ;с0 - соответствующая постоянная времени.

Последовательность зарядов Q|,Q2,Q3..., циклически выводимых из фиксированной потенциальной ямы, в таком случае является последовательностью дискретных выборок функции H(t). Дальнейший перенос каждой из указанных составляющих исходного заряда в свою очередь реализуется в соответствии с формой функции H(t) и математически отражается операциями многократной свертки и дискретизации результата свертки. Общая импульсная характеристика МПСС H0(t) приближенно представлена соотношением многократной свертки импульсной переходной характеристики, соответствующей однократному переносу. Соответственно для n-кратного переноса ЧКХ определяется через n-ную степень характеристики однократного переноса К0(ю).

К0» = (К0(со))п -(1/1 + х2)^. гдезс2=(2,П0сй)2;

1о- параметр, который определяется конструкцией реального МПСС.

С увеличением числа п имеет место концентрация основной энергии спектра импульсной переходной характеристики в области малых значений аргумента х, те- при х«1- Отсюда 1пК0п(ю) = -^1п(1 + х2)к—^х2. а

К0п(со)«ехр(-|х2)-

Последнее из соотношений позволило сделать вывод о том, что с последовательным увеличением числа переносов связана соответствующая последовательная трансформация формы импульсной переходной характеристики однократного переноса в гауссовскую функцию. Полученный выше результат может использоваться лишь в случаях применения в МПСС фонового заряда.

Временные характеристики ПСС рассмотрены в разделе 6.3.

Первичной операцией обработки ВИ по временному направлению является в ПСС цикл накопления в течение времени кадра. Рассмотрен принцип действия ЭЛ ПСС в режиме накопления и показано, что в данном случае имеет место масштабное преобразование импульсной характеристики разрада эквивалентной емкости мишени ЭЛ ПСС. Порядок действия инерционности процесса преобразования в ЭЛ ПСС является последовательным по отношению к действию операции накопления и дает тот же самый эффект. С учетом этого получено соотношение для временной частотной характеристики ЭЛ ПСС:

5т(соО,5Тк)| I Г

К0(со)

соО,5Т,

к

(23)

[1 + ш2а2Тк2 '

где Тк- длительность кадра, а - параметр, величина которого определяется степенью разряда емкости эквивалентного элемента мишени за время, равное длительности последнего.

В МПСС фактически реализован обмен инерционности на пространственную разрешающую способность. Процесс переноса зарядов в МПСС обеспечивает стирание накопленной ранее ВИ. С учетом этого можно предполагать здесь увеличение инерционности МПСС в верхнем левом углу растра. Временная частотная характеристика МПСС обычно определяется лишь первой составляющей выражения (23). С уменьшением же времени кадра в МПСС инерционность процесса считывания ВИ может проявляться, во-первых, неравномерно в пространстве растра, а, во-вторых, искажениями в области низких пространственных частот. Имеет место интегральное масштабное растяжение остаточных потенциалов, соответствующих интенсивным локальным деталям видеоинформации, по направлениям переноса зарядовых пакетов. В конечном итоге это сопровож-

дается снижением контрастности и общей деградацией фоновой низкочастотной структуры контролируемых изображений.

Глава 7. Принципы построения и анализа структур дискретизации телевизионных изображений.

Резко увеличилось за последние годы число предложенных вариантов структур дискретизации СИ. Появились структуры с неравномерным периодом распределения элементов и с адаптивным изменением параметров в зависимости от текущих изменений исходной ВИ. С последним связана актуальность задачи разработки обидах принципов анализа и объективного сопоставления, на основе результатов такого анализа, разнородных по типу структур дискретизации изображений, удовлетворяющих по своей специфике заданным условиями реализации аппаратуры ограничениям. В содержании раздела 7.1 разработаны принципы анализа характеристик спектра ортогональных структур квазипериодической дискретизации в системах телевидения. Рядом четырехмерных 5- функций определяется и подвергается преобразованию Фурье математическое соотношение для структуры дискретизации сигналов СИ в СПТ. В результате получено выражение для спектра ортогональной структуры квазипериодической дискретизации изображений в СПТ:

О0(сох,(иу,со,(вх) = 16л4Вк(ш](х1)Оп(шуу1)Вр(соТ1)Оч(га^Я.1), где Вк(сохх1),Оп(соуу1),Ор((оТ1),0(1(сохЯ.1) - функции ядер Дирихле Х[,у,, Т,Д| - периоды дискретизации по направлениям (оси х.уДД) видеоинформационного пространства.

Проведенный анализ полученных соотношений показывает, что с увеличением в заданной ограниченной зоне пространства числа элементов многомерной структуры дискретизации возрастает частота взаимокомпенсационных преобразований (при дискретизации) структуры спектра ВИ в промежутках между основными лепестками характеристики спектра дискретизирующей функции. В структуре спектра дискретизирующей функции, однако, существуют зоны нарушений взаимокомпенсационных преобразований (при ортогональной дискретизации в пространстве) спектра исходного воздействия, локализация которых в плоскости пространственных частот определяется линиями иу=±рох (р - формат зоны дискретизации). В пределах указанных зон имеет место расширение (до двух раз) так называемых основного и побочного спектров, что приводит в СПТ к пересечению указанных спектров и возникновению соответствующих муаровых составляющих при восстановлении изображений. Возникают также интегральные искажения в структуре основного и побочного результирующих спектров. Сопутствующее этому подавление тонкой структуры спектра изображения связано с трансформацией энергии спектральных составляющих в смежные зоны ПС ВИ.

Принципы построения и анализа характеристик спектра структур

квазипериодической неравномерной дискретизации телевизионных изображений рассмотрены в разделе 7.2. Отражением спектра изображений в реальной области является усредненная ПИХ. Принцип заполнений реального многомерного пространства отсчетами целесообразно связать с заполнением такого пространства дискретизации совокупностью ПИХ. Опорными в структуре дискретизации считаются точки пространства, размещением по отношению к которым смежных отсчетов учитываются особенности отдельной ПИХ. Установленное распределение отсчетов вокруг каждой опорной точки должно обеспечивать заданным числом отсчетов в ячейке структуры дискретизации наиболее эффективную аппроксимацию формы ПИХ. Периодическим распределением ячеек по пространству дискретизации формируется общая структура квазипериодической дискретизации воздействия. Анализируются принципы построения характеристики и параметры структур дискретизации ортогонального и гексагонального типов, которые отнесены к вариантам структур с квазипериодической равномерной дискретизаций. Дальнейшее развитие структур дискретизации связывается с внедрением в СПТ неравномерных, периодических и непериодических дискретно-групповых (дискретно-матричных) структур. В основе построения таких структур лежит выбор и распределение групп (матриц) отсчетов по пространству контролируемой ВИ. Один из вариантов построения ячейки дискретно-матричной структуры показан на рис.4а. Соответствующий фрагмент распределения ячеек в пространстве дискретизации показан на рис.4б. Для восстановления изображений в данном случае используют алгоритмы, в основе которых интерполяция и экстраполяция промежуточных (отсутствующих) отсчетов. Неравномерная структура отсчетов, показанная на рис.4б, преобразуется при этом в квазипериодическую равномерную структуру.

Введено понятие сопряженной исходной (дополняющей исходную) ячейки, в которой отсчеты расположены точно в средних точках между каждыми двумя смежными отсчетами, соответствующими ячейке исходного вида. Сопряженные ячейки целесообразно чередовать в пространстве дискретизации, что обеспечивает более высокую (в среднем) степень изотропности характеристик спектра общей структуры дискретизации.

Основой разработанного метода анализа характеристик спектра структур дискретизации различных типов являются трансформации ортогональных структур квазипериодической дискретизации. Рассмотрены ва-а) рианты реализации анализа и определены ха-

рактеристики спектра структур различных типов.

Дискретизирующая функция может быть представлена сверткой:

б> ' ¿г(х,у) = Н(х,у)®ё|(х,у), где Н(х,у) - ограни-

чивающая функция, определяющая форму

Рис. 4

отдельного отсчета; с!,(х,у) - дискретнзирующая функция идеального вида. Если Н{шх,сау) - спектр ограничивающей функции, а ОДшх,шу) - спектр идеализированной структуры, то, следовательно, спектр структуры с!г(х,у) отражается следующим образом:

Вг(шх,юу) = О|(шх,о)у)//(сах,шу). (24)

Соотношение (24) свидетельствует о существенном влиянии вида ограничивающей функции на спектр структуры дискретизации. Установлены критерии выбора формы и протяженности ограничивающей функции.

Содержание, раздела 7.3 посвящено преобразованию ВИ в квазипериодическую последовательность отсчетов сигнала в ограниченной многомерной зоне. Анализируются различные варианты структур дискретизации ВИ в СПТ, которые математически описываются сверткой опорной, ортогонального вида, структуры дискретизации с функцией преобразования. Дискретная функция преобразования при этом определяет всю циклическую последовательность положений опорной структуры по заданным направлениям пространства ВИ. В результате пространство ВИ заполняется всей совокупностью отсчетов, а в каждом последующем цикле процесс заполнения пространства отсчетами повторяется.

Получено общее соотношение для структур дискретизации, используемых в СПТ.

<1Пе(х,у,и)= £ Е X Х5(х-^.)5(у-1У|)5а-хт1)5а-Фх1)®

Ч» = -Ч Р »1 = —к п=-п

- Х1 - х) - - У, - У, - У,)6(1 - Т, - Т¥)6(Х - Х¥) .

= | Н ¡>1

Различным вариациям структур дискретизации, используемых в СПТ, соответствуют частные случаи соотношения в условиях конкретизации величин фиксированных параметров: х,,у„Т,Д ; х^у^ х^.Т^

Функция (структура ячейки) преобразования может выполнять преобразование опорной структуры к заданной форме (масштабу) и учесть общее смещение преобразованной структуры дискретизации в соответствующую зону спектрально-пространственно-временной области. Снижение протяженности спектра воздействия на краях анализируемого пространства может, например, учитывать в реальных СПТ сопутствующим увеличением периода в структуре дискретизации. Такое координатно-зависимое преобразование периода дискретизации эквивалентно масштабно-пространственным преобразованиям структуры дискретизации и приведет к падению интенсивности изображения на краях растра.. Соответственно необходимо осуществить компенсацию амплитудных искажений, вызванных уменьшением по периферии пространства изображения коэффициента передачи ОС и частоты дискретизации.

В разделе 7.4 анализируются особенности выбора параметров квазипериодических последовательностей отсчетов в ограниченной многомерной зоне. Рассматривается вопрос выбора параметров квазипериодической последовательности отсчетов, обеспечивающих допустимый уровень искажений спектра воздействия при дискретизации. К параметрам такого рода отнесены протяженность отдельного отсчета и частота следования отсчетов в ограниченной многомерной зоне, т.е. частота дискретизации сод.

Минимальное значение юд(шд ми11) рекомендовано находить с учетом тонкой структуры усредненной спектральной интенсивности 8с(шх,шу). При этом выбор величины содмин определяется протяженностью участка повышенной крутизны спада. характеристики Бс(а)х,0) - 5с(шх). В разделе разработана методика определения со д НИ11, основой которой является аппроксимация участков соотношений

для производных от Бс((ох) ступенчатыми и линейными функциями.

Линейная аппроксимация дает резкое увеличение точности определения границы участка повышенной крутизны спада характеристики 5с(сох). Дальнейшее наращивание порядка производных функции 5с(сох) или порядка их аппроксимации не могут существенно уточнить полученный результат.

При неизменной протяженности спектра входного воздействия для построчной и ортогональной структур дискретизации по линиям спектральной области сау = ±ршх должна быть вдвое увеличена зона локализации фильтрующей функции отдельного отсчета спектра дискретизирующей структуры. При этом устраняется возможность необратимых пересечений основного и побочного спектров дискретизированного воздействия в пределах указанных линий. Целесообразным соответственно является конт- . роль результатов анализа сечения характеристик 8с(шх,иу) по линии

соу = ршх (5с(сох,шу) = Бс(сох,ро>х)). Выбор частоты дискретизации и

параметров соответствующей структуры для различных конкретных вариантов функций усреденной спектральной интенсивности необходимо осуществлять при контроле анизотропности сопряженных характеристик (спектральной и ПИХ) и выполнения установленных требований по всем направлениям в пространстве анализа.

Глава 8. Результаты, алгоритмы и особенности применения разработанных методов анализа при выборе характеристик и параметров систем телевидения и элементов телевизионной аппаратуры.

Охват частными примерами всех возможных ситуаций, возникающих при анализе и проектировании СПТ различного назначения реализовать невозможно. В связи с этим в восьмой главе работы вни-

мание уделено конкретизации отдельных алгоритмов анализа, полученных результатов и разработанных технических решений. Значительная часть решений и результатов анализа в относительно полном обьеме представлена в одиннадцати кандидатских диссертациях, подготовленных под руководством соискателя. Существенно большая часть результатов опубликована в статьях и изобретениях. Экспериментальные исследования разработанных по результатам анализа конкретных способов и устройств обработки ВИ в СПТ проводились в лаборатории телевидения НИЛ-11 НИЧ МТУСИ. Соответствующие результаты исследований представлены в отчетах по НИР.

Раздел 8.1. посвящен фазо-временным ограничивающим преобразованиям ПС воздействия. Сопряженное действие фазо-временных преобразований и процесса накопления видеоинформации во времени отражается существенными трансформациями структуры ПС контролируемого изображения. Полученные результаты дали основу для разработки новых технических решений (типов ПСС), представленных в изобретениях, на которые дается ссылка.

В твердотельных формирователях сигнала изображения на ПЗС и МПСС выбор параметров микросмещений позволяет кроме того предотвратить возможность появления "пространственных муаров". Особенно перспективными в этом отношении являются "шумо-подобные" микросмещения.

Особенности выбора характеристик линейных элементов ТВ аппаратуры рассматриваются в разделе 8.2. Анализ проводится с учетом возможности накопления искажений, возникающей за счет последовательного действия в СПТ относительно большого количества линейных элементов видеотракта (приложение 14).

Некоторые вопросы выбора структуры испытательных телевизионных изображений и сигналов представлены в разделе 8.3.

В материале раздела указываются, работы которые были реализованы на основе использования разработанных методов анализа. На этой основе кроме того был разработан тест-генератор ТВЧ и опубликован материал главы "Контрольно-измерительная телевизионная аппаратура и вопросы эксплуатации телецентра" в книге "Проектирование и эксплуатация телевизионной аппаратуры". В приложении 16 к данному разделу конкретизированы частные примеры учета полученных результатов при проектировании контрольно-измерительной аппаратуры.

В разделе 8.4. рассматриваются отдельные алгоритмы и специфика применения разработанных методов и результатов анализа при конкретизации параметров основных функциональных характеристик в СПТ. На основе применения представленных в данной работе методов анализа реализован расчет характеристик и разработаны новые

способы и устройства обработки СИ в СПТ. Отдельные из полученных результатов кратко изложены в приложении 17 к данному разделу. Здесь представлены алгоритмы анализа сквозных пространственных частотных характеристик, импульсной переходной реакции, временной частотной характеристики, искажений и шума в СПТ, разработки многомерных цифровых фильтров, методов передачи нескольких программ телевидения по одному каналу связи и сжатия спектра СИ. Рассмотрены также элементы обработки ВИ в СПТ с масштабными преобразованиями СИ, вопросы разработки систем ТВЧ. Материал приложений к данной главе отражается в выводах.

Заключение

Общим научно-практическим результатом работы является то, что на базе традиционных для теории связи методов исследования разработаны элементы теории преобразования сигналов изображений в системах прикладного телевидения (СПТ), которые, в совокупннос-ти с уже существующими элементами, обеспечивают возможность для реализации сквозного анализа основных характеристик в СПТ. Частные применения результатов работы позволяют осуществить относительный выбор технических решений при проектировании СПТ различного назначения. Основные научно-практические результаты, полученные в данной работе на основе применения разработанных элементов теории преобразования, могут быть представлены в виде следующих положений:.

1. Показано, что масштабно-пространственные преобразования в пределах контролируемой области информационного пространства сопряжены с изменениями интенсивности контролируемой видеоинформации (ВИ). На участках с большой крутизной преобразования масштаба возникают при этом локальные выбросы относительных изменений интенсивности ВИ, что отражается в структуре пространственного спектра расширением рабочего диапазона в область более высоких пространственных частот. Масштабно-пространственные преобразования ВИ в условиях масштабирования по радиусу к значительного

, удаления от начала координат преобразованного пространства проявляются не только изменениями масштаба структуры пространственного спектра, но и взаимной трансформацией пространственных частот, отражающих горизонтальные и вертикальные составляющие исходного воздействия.

2. Случай низкой крутизны масштабно временных преобразований в контролируемой области отражается суммированием (вычитанием) с исходным воздействием изменяющихся во времени его же дифференциальных в пространстве составляющих. Относительно большая величина коэффициента масштабно-временного преобразования обуславливает резкое увеличение протяженности соответствую-

щего спектра по временной оси спектрального пространства. Эффективный визуальный контроль масштабируемых во времени объектов обеспечивается за счет совмещения составляющих временного спектра самого процесса масштабирования с диапазоном на оси временных частот от 0 до 5 Гц. Минимально возможная протяженность пр.о-цесса масштабирования составляет в последнем случае величину, большую одной секунды.

3. Влияние операторов фазового преобразования ВИ в оптическом тракте СПТ проявляется изменениями структуры пространственно-временного спектра ВИ, специфика которых определяет целесообразность использования того или иного оператора для решения конкретных задач обработки ВИ. Относительное смещение ВИ сопряжено, в частности, с эффектом преобразования контролируемых объектов в пространство с измененным масштабом по оси времени, а структура функции, отражающей изменения масштаба, свидетельствует о возникновении в преобразованном спектре движущегося объекта локальных максимумов, координаты которых в пространственно-временном спектральном пространстве зависят от скорости движения. Относительное вращение ВИ проявляется возникновением дискретной структуры временного спектра,соответствующего анизотропной структуре пространственного спектра видеоинформации.

Оператор "периодических круговых микросмещений" объекта проявляется возникновением эффекта относительного подавления верхних пространственных частот ВИ. Практически обратный эффект в направлении смещений дает оператор линейных,"возвратно-поступательного типа", периодических микросмещений.

4. Выбор функции аппроксимации для коэффициента передачи оптического тракта СПТ как функции пространственной частоты в точке плоскости изображения с фиксированными координатами следует осуществлять на основе проверки по условию физической реализуемости. Факт выполнения условия физической реализуемости зависит от поведения функции аппроксимации на бесконечности, т.е. при больших частотах. Соответственно в диапазоне рабочих (низких) частот функция аппроксимации должна обеспечивать максимальную точность аппроксимации, а в диапазоне более высоких частот должна удовлетворять условиям осуществимости. Учет зависимости формы анализируемой пространственной импульсной характеристики изотропного оптического тракта систем телевидения от координат в плоскости изображения целесообразно осущесвлять за счет введения в обратное преобразование Фурье фазовой характеристики. При этом процесс анализа импульсной характеристики анизотропного тракта существенно упрощается за счет выделения в области низких пространственных частот изотропной составляющей, получения со-

ответствующей разностной составляющей коэффициента передачи оптического тракта и аппроксимации последней суммой смещенных в спектральной области независимых характеристик изотропного оптического тракта. Общая импульсная характеристика отражается в таком случае суммой всех характеристик, соответствующих аппроксимациям основной и разностной составляющей. Суммированием обеспечивается уменьшение влияния на конечный результат ошибок аппроксимации.

5. Разработанный метод приближенного анализа спектров двумерных составляющих структуры изображений, основанный на представлении анализируемых реальных функций в виде свертки аппроксимирующей двумерной ступенчатой функции с двумерными функциями преобразования, вид каждой из которых определяется спецификой локальных изменений в форме анализируемой двумерной функции, существенно упрощает решение задач анализа спектров двумерных составляющих структуры изображений относительно сложной формы. Интегральный характер общего соотношения аппроксимации обеспечивает при этом резкое снижение ошибок анализа за счет подавления при свертке функций ошибки и эквивалентности (в среднем) анализируемой и аппроксимирующей ступенчатой функции.

6. Показано, что анализ и выбор формы характеристик ограничения в системах спектрозонального телевидения целесообразно осуществлять на базе многоэтапной свертки прямоугольных функций с результатом, полученном на предшествующем этапе свертки. Существенный интерес представляют полученные результаты анализа динамики изменения формы функций ограничения и соответствующих функций спектральной плотности в условиях, когда длительность прямоугольной функции на следующем этапе свертки устанавливается равной длительности результирующей функции ограничения, полученной при выполнении предыдущих этапов свертки. Преимуществом такого варианта является увеличение крутизны среза полученной функции ограничения по отношению к гауссовской функции эквивалентной площади. Наряду с этим имеет место относительно быстрое затухание уровня функции спектральной плотности. Взаимная обратимость результатов полученных в реальной и частотной областях позволяет выбрать форму ограничения спектрозонального отсчета, соответствующую указанной форме спектральной плотности, что устранит возможность возникновения искажений "муарового типа" при реализации систем спектрозонального телевидения.

7. Особенности изменений формы действующей апертуры в пространстве могут быть выявлены за счет анализа изменений формы действующей апертуры электронно-лучевого преобразователя "свет-сигнал" во времени в фиксированной точке пространства растра. В

электронно-лучевых преобразователях мозаичного типа существенное влияние на четкость телевизионных изображений оказывает размер элемента мозаики, квадрат характеристики спектра которого определяет относительно резкое ограничение протяженности пространственного спектра ВИ. В связи с этим размер элемента мозаики должен устанавливаться существенно меньшим (более чем в 3 раза) по протяженности по отношению к апертуре электронного луча. При выполнении анализа преобразователей "свет-сигнал" матричного типа целесообразно пользоваться моделью однократного переноса в виде независимых интегрирующих цепей с отличающимися постоянными времени, сигналы с которых суммируются.

8. Ограничение протяженности временного спектра видеоинформации в электронно-лучевых преобразователях "свет-сигнал" определяется произведением модулей коэффициентов передачи процессов накопления сигнала в течении времени кадра и разряда элемента мишени в момент считывания потенциального рельефа, постоянная времени которого составляет величину, приблизительно, в три раза меньшую длительности кадра.

Ограничение протяженности временного спектра в матричных преобразователях "свет-сигнал" определяется модулем коэффициента передачи процесса накопления сигнала в течение времени кадра. С уменьшением времени кадра инерционность процесса считывания в матричных преобразователях проявляется неравномерно в пространстве растра и обуславливает появление искажений в области низких пространственных частот, что сопровождается снижением контрастности и общей деградацией фоновой структуры контролируемых изображений.

9. Многомерный спектр ортогональных структур квазипериодической дискретизации изображений в системах телевидения отражается произведением составляющих одномерных функций ядер Дирихле, соответствующих координатным осям информационного пространства. Основой анализа характеристик спектра структур дискретизации других типов являются трансформации ортогональных структур квазипериодической дискретизации с использованием операций вычитания и суперпозиции структур, отличающихся по своим параметрам. Эффективным также методом анализа является метод, основанный на использовании операции свертки ячейки дискретизации с опорной структурой. Структура ячейки дискретизации при этом должна обеспечить или получение основной структуры или структуры (структур), имеющей промежуточное значение и используемой, например, для вычитания и суперпозиции с другими необходимыми структурами дискретизации. Соответственно выбранной последовательности преобразований структур в реальной области реализуют сложение, вы-

читание и умножение спектров структур в сопряженной области с получением на конечном этапе соотношения для спектра анализируемой структуры.

10. Выбор значений частот дискретизации по независимым направлениям информационного пространства следует осуществлять на основе дифференциального анализа формы усредненной характеристики спектральной интенсивности сигнала изображения. Такой путь является особо эффективным в условиях жесткого определения параметров структуры дискретизации. В случаях, допускающих динамическую оптимизацию параметров структуры дискретизации, целесообразно проведение анализа с переходом в реальную область.

11. Фазо-временные ограничивающие преобразования спектра исходных изображений целесообразно применять в телевизионных системах с пространственной дискретизацией в оптическом звене (матричные преобразователи "свет-сигнал"). Заданная форма функции ограничения протяженности пространственного спектра обеспечивается при этом за счет квазислучайных изменений амплитуды (фазы) или амплитуды и фазы относительных периодических микросмещений контролируемой видеоинформации. Преобразование такого типа следует вводить и в оптический тракт систем сжатия с дополнительной дискретизацией сигналов изображений, например, по группам элементов. В результате может быть снижена частота текущей дискретизации сигнала изображений и, соответственно, увеличена степень сжатия спектра.

Приложения содержат доказательства некоторых соотношений, примеры практического использования и конкретизации разработанных в основном тексте диссертации алгоритмов и методов анализа.

По теме диссертации опубликованы следующие основные работы:

1. Безруков В.Н. К вопросу фазовых соотношений в цепях минимальной фазы/ / Труды МЭИС.- 1969.- Вып.2,- С. 199-205.

2. Безруков В.Н. Исследование вопросов передачи двух программ телевидения по одному телевизионному каналу связи/ Автореферат дис.канд.техн.наук.- М.: МЭИС, 1970.- 21 с.

3. Безруков В.Н., Балобанов В.Г., Хромой Б.П. К расчету фазо-частотных характеристик схем апертурной коррекции видеосигналов/ / Электросвязь,- 1971.- N3.- С.67-70.

4. Безруков В.Н. О некоторых особенностях характеристик зрительной системы наблюдателя телевизионных изображений// Труды уч.инст.связи.- 1976,- Вып.74.- С.28-36.

5. Безруков В.Н., Атамухамедов М.Б. Заметность помех в ТВ системах с преобразованием последовательных по полям сигналов в одномерные// Техника кино и телевидения.- 1978.N9. С.50-54.

6. Безруков В.H. Анализ характеристик предварительных ТВ усилителей// Техника кино и телевидения.- 1981.- N6. С.42-45.

7. Безруков В.Н., Жданов В.В. Методы передачи ТВ сигналов с дополнительной дискретизацией// Электросвязь,- 1982.N3.- С.IIIS-

8. Безруков В.Н., Самойлов Ф.В., Цветков А.И. Телевизионные-методы оценки параметров движения объекта// Радиотехника.-1982,- Т.37, N1,- С.52-53.

9. Безруков В.Н., Зубарев Ю.Б., Косс В.П., Кудрявцев К.Т., Но-ваковский C.B. Передача двух программ цветного телевидения по одному каналу связи// Техника кино и телевидения.- 1984.- N10,-С.31-34.

10. Безруков В.Н., Королев A.B., Ляпунов В.Н., Новаковский О.С. Выбор параметров систем телевидения высокой визуальной четкости и качества//Техника кино и телевидения.1985. N10.-С.3-9.

11. Безруков В.Н., Коженов А.П., Шауро A.B., Алешкин В.Н. Особенности пространственно-временного спектра подвижных объектов в условиях оптического контроля// Математические методы обработки геофизической информации; Сб.статей: ДН СССР, Институт физики земли им.О.Ю.ШМИДТА/ М.: Наука, 1986,- С.114-136.

12. Безруков В.Н., Беляев B.C. Уменьшение фазовых искажений в линейных телевизионных устройствах//Радиотехника.1986.-Ы2,-С.28-31.

13. Безруков В.Н. Анализ характеристик спектра ортогональных структур квазипериодической дискретизации в системах телевидения/ / Радиотехника.- 1989,- N12,- С.3-7.

14. Безруков В.Н. Принципы построения и анализа характеристик спектра структур дискретизации телевизионных изображений// Техника кино и телевидения.- N7,- С.7-23.

15. Безруков В.Н., Косс В.П. Дискретизация N-ного порядка двумерных сообщений/ / Электросвязь,- 1991,- С.10-12.

16. Безруков В.Н., Росаткевич Г.К., Самойлов В.Ф. Анализ влияния видов развертки на качество сигнала в телевизионных датчиках с накоплением заряда// Техника кино и телевидения,- 1992.- N10.-С.51-57.

17. Безруков В.Н. Анализ действующей апертуры в электронно-лучевых преобразователях свет-сигнал/ / Техника кино и телевидения,- 1993,- N1,- С.52-55.

18. Проектирование и техническая эксплуатация телевизионной аппаратуры. Учеб. пособие для вузов/В.Н. Безруков, B.C. Беляев, Г.Т. Дерибас и др.; Под. ред. C.B. Новаковского.-М:- Радио и связь, 1994- 360 с ил.

19. Безруков В.Н., Плешивцев В.А., Нгуен Т.Б. О выборе пара-

метров дискретизации ТВ сигнала / / Техника кино и телевидения.-1994,- N4,- С.ЗЗ-Зб.

20. Безруков В.Н., Салтыков К.Е. Дискретно-групповое периодическое кодирование сигналов изображении// Техника кино и телевидения,- 1995,- N1,- С.43-48.

21. A.c. 507961 СССР. Способ измерения временных частотных характеристик передающих телевизионных трубок/Безруков В.Н., Ахметов Ж.К.- Опубл. 1976, Бюлл. N11.

22. A.c. 513534 СССР. Способ передачи двух программ черно-бе-лего и цветного телевидения в одном стандартном телевизионном канале связи/ Безруков В.Н.- Опубл. 1976, Бюлл. N17.

23..A.c. 520725 СССР. Устройство для передачи двух программ черно-белого и цветного телевидения в одном стандартном телевизионном канале связи/ Безруков В.Н.- Опубл. 1976, Бюлл. N25.

24. A.c. 540411 СССР. Способ преобразования низкочастотной последовательности стандартных сигналов полей или кадров в последовательность стандартной частоты следования/ Безруков В.Н.-Опубл. 1976, Бюлл. N47.

25. A.c. 652735 СССР. Способ измерения отношения сигнал/шум в телевизионных системах с преобразованием стандартов/Безруков В.Н., Атамухамедов М.Б.- Опубл. 1979, Бюлл. N10.

26. A.c. 748903 СССР. Способ передачи и воспроизведения сигнала изображения/ Безруков В.Н.- Опубл. 1980, Бюлл. N26.

27. A.c. 768008 СССР. Способ задержки телевизионного сигнала и устройство для осуществления способа/Безруков В.Н., Нурматов Б.- Опубл. 1980, Бюлл. N36.

28. A.c. 832772 СССР. Способ приема изображения в малокадровом телевидении/ Безруков В.Н., Малочинская Н.Л.- Опубл. 1981, Бюлл. N19.

29. A.c. 915284 СССР. Способ преобразования телевизионных стандартов/Безруков В.Н., Атамухамедов М.Б., Таджибаев Ш.З., Зухридинов Т.Х.- Опубл. 1982, Бюлл. N11.

30. A.c. 970725 СССР. Способ выделения сигнала контура изображения и устройство для его осуществления/Безруков В.Н., Клюев С.Н., Муслимов Ш.Р.- Опубл. 1982, Бюлл. N40.

31. A.c. 1100754 СССР. Способ формирования телевизионного сигнала/ Безруков В.Н.- Опубл. 1984, Бюлл. N24.

32. A.c. 1149439 СССР. Способ измерения амплитудно-частотной характеристики и характеристики относительного времени распространения фазы в телевизионной системе и устройство для его реализации/Безруков В.Н.- Опубл. 1985, Бюлл. N13.

33. A.c. 1150776 СССР. Способ измерения амплитудно-частотных характеристик относительного времени распространения

фазы сигнала в телевизионной системе и устройство для его осуществления/ Безруков В.Н.- Опубл. 1985, Бюлл. N14.

34. A.c. 1211892 СССР. Способ формирования телевизионного сигнала цветного изображения и устройство для реализации/Безруков В.Н.- Опубл. 1987, Бюлл. N11.

35. A.c. 1319324 СССР. Способ передачи и приема двух программ цветного телевидения системы СЕКАМ по одному стандартному каналу связи и устройство для его осуществления/Безруков В.Н., Косс В.П., Кудрявцев К.Т.- Опубл. 1987, Бюлл. N23.

36. A.c. 1424138 СССР. Способ развертки телевизионного изображения электронным лучом в однотрубочных камерах цветного телевидения со штриховыми светофильтрами и устройство для его осуществления./ Безруков В.Н., Ваниев А.Г., Новаковский C.B.- Опубл. 198 Бюлл. N .

37. A.c. 1443208 СССР. Датчик сигналов цветного телевидения/ Безруков В.Н., Головенкин И.А., Кулагин П.А.- Опубл. 1988, Бюлл. N45.

38. A.c. 1464300 AI СССР. Способ передачи и приема полного цветного телевизионного сигнала с временным уплотнением ярко-стных и цветовых составляющих и устройство для его осуществления/ Безруков В.Н., Жданов В.В., Котельников A.B.- Опубл. 1989, Бюлл. N9.

39. A.c. 1704604 СССР. Способ формирования сигналов цветного телевидения и устройство для его осуществления/Безруков В.Н., Кулагин П.А., Игнатов Ф.М., Кузенков В.П.- Опубл. 1988, Для служ.пользов.

40. A.c. 1811028 СССР. Устройство разделения сигналов яркости и цветности в декодере системы ПАЛ/Безруков В.Н., Ахмед М.М.- Опубл. 1993, Бюлл. N15.