автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Разработка методов и устройств коррекции информационных сигналов в системах цифрового телевидения

На правах рукописи

003054140

Комаров Павел Юрьевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И УСТРОЙСТВ КОРРЕКЦИИ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИГНАЛОВ В СИСТЕМАХ ЦИФРОВОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ

Специальность 05.12.04 - «Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2007

003054140

Работа выполнена в Московском техническом университете связи и информатики.

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Безруков Вадим Николаевич

доктор технических наук Кукк Калью Иванович

кандидат технических наук Алексеев Юрий Анатольевич

Ведущее предприятие:

Открытое акционерное общество «Мощная аппаратура радиовещания и телевидения» (ОАО «МАРТ»)

Защита состоится 22 марта 2007 г. в 17 ч. на заседании диссертационного совета К219.001.02 в Московском техническом университете связи и информатики по адресу: 111024, Москва, ул. Авиамоторная, д. 8а, ауд. А-455.

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

Автореферат разослан "V 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Матвеева О.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Перед национальной промышленностью России в текущем периоде стоит задача освоения производства передающего и приемного оборудования по стандарту DVB. Отечественные производители такого оборудования должны выдержать конкуренцию на мировом рынке. Это определяет необходимость разработки эффективных методов и алгоритмов, обеспечивающих существенное увеличение качества изображений цифрового телевизионного (ТВ) вещания в вариантах оборудования, производимого в России. Соответственно актуальной задачей является разработка новых методов и устройств формирования в коррекции сигналов цифрового ТВ вещания, позволяющих увеличить эффективность работы указанных выше систем стандарта DVB за счет реального повышения качества передаваемых ТВ изображений и сопутствующих услуг. В связи с этим тема данной диссертационной работы является актуальной.

Цель я задачи работы

Цепью настоящей диссертационной работы является разработка эффективных методов и устройств коррекции искажений в системах цифрового вещательного телевидения, учитывающих специфику формирования, кодирования и преобразования сигналов по стандартам MPEG-2, DVB и обеспечивающих повышение качества функционирования элементов оборудования, используемых при передаче сигналов по каналам связи, а также разработка и моделирование алгоритмов, реализующих предложенные методы.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие научно-практические задачи:

1. Проведен анализ искажений формирования и преобразований сигналов ТВ изображений в системах цифрового телевидения.

2. Разработан метод устранения "блокинг-эффекта".

3. Разработан метод коррекции линейных искажений сигналов в системах цифрового телевидения.

4. Разработан метод коррекции нелинейных искажений (типа "гребенка"), возникающих при передаче границ изображений, ориентированных во внутрикадровом пространстве в направлении, ортогональном направлению движения.

5. Разработан алгоритм текущего контроля сквозной частотной характеристики радиоканала в системах цифрового ТВ вещания по стандарту DVB-T.

6. Разработана методика анализа и выбора характеристик усилителей для цифрового ТВ вещания.

7. Проведены экспериментальные исследования разработанного метода устранения искажений типа "блокинг-эффекта", создана программа, моделирующая процесс устранения "блокинг-эффекта".

Методы исследования

При решении поставленных задач в работе использованы современные методы анализа теории радиотехники, включая элементы теории функций и функционального анализа, теории радиотехнических цепей, теории телевидения, теории численного интегрирования и дифференцирования, линейной алгебры и геометрии, методы спектрального анализа Фурье, численного анализа и программирования и др.

Научная новизна работы

Научная новизна настоящей работы заключается в следующем:

1. Проведен теоретический анализ характеристик, параметров и искажений формирования сигналов ТВ изображений в системах цифрового вещательного телевидения.

2. Разработан метод устранения "блокинг-эффеета".

3. Разработан метод коррекции линейных искажений сигналов в системах цифрового телевидения.

4. Разработан метод коррекции нелинейных искажений типа "гребенка".

5. Разработаны принципы и алгоритм текущего адаптивного ковпроля и соответственно коррекции сквозной частотной характеристики радиоканала в системах цифрового ТВ вещания по стандарту ОУВ-Т.

6. Разработана методика анализа и выбора характеристик усилителей для цифрового ТВ вещания.

7. Создана программа, моделирующая процесс устранения "блокинг-эффекта".

Практическая ценность и реализация результатов работы.

Проведённый анализ и учёт специфики влияния чересстрочной развёртки на качество передачи пространственной структуре телевизионных изображений позволили разработать способ и устройство кодирования сигнала изображения по стандарту МРЕв-З с предварительным подавлением нелинейных искажений при передаче границ изображений, соответствующих объектам с относительно быстрым движением в пространстве видеоконтроля. По данным способу и устройству получен (в соавторстве) патент на изобретение №2287909 от 20 ноября 2006 г. с приоритетом 15 декабря 2004 г.

В работе предложен адаптивный алгоритм оценки текущего состояния АЧХ сквозного радиоканала и восстановления информационных символов, применение

которого позволит увеличить качество функционирования систем наземного ТВ вещания по стандарту ЭУВ-Т.

Разработанные в диссертации метод устранения блокинг-эффекта, алгоритм модели устройства, программное обеспечение для моделирования, реализованное на языке МайаЬ, и полученныё результаты экспериментального исследования показали целесообразность применения предложенного варианта устранения блокинг-эффекта в системах цифрового телевидения со сжатием спектра сигналов изображений по стандарту МРЕО-2.

Теоретические и практические результаты работы использованы при проведении учебного процесса на кафедре телевидения им. С.И. Катаева МТУСИ, при выполнении НИР в лаборатории "Цифровой обработки телевизионных сигналов" (НИЛ-11) НИЧ МТУСИ и в ОАО «МАРТ», Санкт-Петербург.

Основные положения, теоретические выводы и рекомендации, представленные в материалах данной диссертационной работы, получены автором самостоятельно.

Апробация результатов работы Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на научно - технических конференциях профессорско-преподавательского состава, МТУСИ, Москва, 2004-2006 г.г.

Публикации

Материалы диссертационной работы опубликованы в 13 научных работах, отражены в заявке на изобретение "Способ преобразования цифрового сигнала изображения и устройство для его реализации" по которой получен патент на изобретение №2287909 от 20 ноября 2006 г. с приоритетом 15 декабря 2004 г., и представлены в отчетах по НИР НИЛ-11 НИЧ МТУСИ.

Объем и структура работы

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа изложена на страницах машинописного текста. Список литературы включает 114 наименований

Основные положения, выносимые на защиту

1. Результаты анализа искажений формирования сигналов ТВ изображений в системах цифрового вещательного телевидения.

2. Разработанный метод устранения "блокинг-эффекта".

3. Разработанный метод и устройства коррекции линейных искажений сигналов в системах цифрового телевидения.

4. Разработанный метод и устройство коррекции нелинейных искажений типа «гребенка».

5. Разработанный алгоритм контроля текущего состояния сквозной частотной характеристики радиоканала в системах цифрового ТВ вешания по стандарту DVB-T.

6. Методика анализа и выбора характеристик усилителей для цифрового ТВ вещания.

7. Результаты экспериментальных исследований разработанного метода устранения "блокинг-эффекта".

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы настоящей диссертационной работы, показано состояние исследуемого вопроса, определены цель, задачи и методы исследований. Сформулирована научная новизна, практическая значимость результатов работы и положения, выносимые на защиту. Представлены состав и краткое описание работы, приведены сведения об апробации работы и публикациях автора.

В первой главе «Международный стандарт кодирования с информационным сжатием MPEG-2» проанализированы особенности преобразования и кодирования видеоинформационных сигналов при сжатии спектра статических и динамических ТВ изображений.

При реализации сжатия по стандарту MPEG учитывается следующее:

1. В структуре пространственно-временного спектра независимых фрагментов текущих ТВ изображений может быть существенно ограничена точность передачи высокочастотных составляющих (ВЧ).

2. Квантование коэффициентов пространственного спектра позволяет адаптивно снижать точность передачи малоинтенсивных и ВЧ составляющих в пределах соответствующих фрагментов, относительный вклад которых в содержание ТВ изображения не является существенным.

3. При переходе к пространственному спектру фрагментов эффективно решается вопрос декорреляции ТВ изображения и обеспечивается реализация статистического кодирования.

Начальный этап процесса кодирования содержит преобразование (ДКП) матрицы отсчётов изображения X в матрицу коэффициентов Y=F(X). Декодирование осуществляется применением обратного преобразования: X = F"1 (?).

В самом общем случае процесс квантования - это осуществление нелинейного преобразования, характеристика которого имеет вид монотонной ступенчатой функции:

0 = г0и/и/^—^ гДе го«п</(-) - операция округления результата до ближайшего целого; к -

коэффициент преобразования. Деквантование можно представить в виде У — kQ.

После квантования компоненты преобразований группируются в определённой последовательности, а затем кодируются хаффмановским или арифметическим кодерами. В результате такого кодирования квантованная последовательность компонент, являющаяся последовательностью двоичных символов трансформируется в кодированную последовательность С, = {р], С2,.. •, С) }, для которой / >), т.е. С, содержит меньшее число двоичных символов, например, для последующее передачи их по каналу связи. Таким образом, существенно устраняется статистическая избыточность в последовательности символов, получаемой после энтропийного кодирования.

При этом дискретные участки общего ТВ изображения, попадающие в пределы независимых блоков (фрагментов) 8X8 отсчетов (пикселов), в общем случае представляют собой суперпозицию независимых структурных составляющих, функции распределения пространственных спектров которых могут существенно отличаться по уровню и протяженности. Реализация преобразования общего спектра блока по стандарту МРЕО-2 отражается в таком случае неэквивалентностью изменений параметров функций спектров отдельных составляющих. Весьма существенно деградирует спектр составляющих, имеющих в пространстве блока низкую интенсивность и протяжённость (площадь), что обусловливает ещё большее снижение относительного веса (доли) их спектра в общей его структуре. Сама операция квантования спектра таких составляющих сопровождается не только резким изменением (нелинейного типа) характера огибающей спектра, но и значительным уменьшением его объема. Фактически их спектральные компоненты сохраняются лишь на тех частотах, где коэффициенты суммарного спектра превышают заданный порогом квантования уровень. В результате в пределах отдельных блоков имеют место перекрёстного типа искажения между спектрами независимых составляющих. В связи с последним резко расширяется набор возможных искажений и дефектов изображений в пределах блока при увеличении степени сжатия. При этом эквивалентность структуры ТВ изображений в смежных блоках может приводить к возрастанию во внутрикадровом пространстве протяжённости однотипных искажений и соответственно к существенному увеличению их заметности. Не менее заметны искажения (ступенчатого типа) при передаче низкоградиентных изменений фона. Эти

изменения отражаются гармониками спектра низкого уровня, которые подавляются при реализации квантования

Характерными для сжатия по стандарту MPEG-2 являются искажения изображений движущихся объектов, которые возникают на границах, ортогональных направлению движения. С изменением положения границы в смежных кадрах сопряжено последовательные (в межкадровом направлении) изменения искажений структуры изображения в пределах ансамбля блоков, отражающих передачу данной границы. Такие изменения качества передачи границы проявляются возникновением низкочастотных пульсаций составляющих её изображения, частота которых зависит также от скорости движения проекции объекта во внутрикадровом пространстве. Кроме того, для сжатия по стандарту MPEG-2 свойственно появление ряда других искажений, обусловленных, например, неточностью оценки сигнала вектора движения, зависимостью их величины от положения деталей изображения по отношению к структуре блоков, пространственно-ступенчатой аппроксимацией деталей изображений, сопоставимых по размеру с блоком, укрупнением протяжённости помех по межкадровому направлению и т.д. Коррекция выявленных искажений сжатия, особенно на этапе декодирования, является существенным резервом для увеличения качественных характеристик и эффективности функционирования систем вещательного цифрового телевидения. Результаты данного раздела позволили конкретизировать отдельные направления коррекции искажений изображений, обусловленных сжатием спектра по стандарту MPEG-2.

Во второй главе «Разработка методов коррекции линейных искажений сигналов в системах цифрового телевидения» проанализированы пространственные импульсные характеристики (ИХ) изотропного оптического тракта систем телевидения, линейные искажения сигналов в системах цифрового телевидения со сжатием по стандарту MPEG-2 и характеристики ортогональной дискретизации, разработан способ коррекции и антишумовой обработки в системах телевидения.

Полученные здесь соотношения показали, что эквивалентная протяжённость ИХ существенно увеличивается с возрастанием расстояния во внутрикадровом пространстве по отношению к оптической оси оптической системы (ОС). Согласно расчётным оценкам, с увеличением расстояния от центра ОС, примерно, вдвое более, чем в два раза, уменьшается амплитуда и возрастает протяженность относительной ИХ, полученной расчетным путем.

В связи с тем, что на краях растра имеет место более высокая степень подавления высокочастотных составляющих пространственного спектра в ОС, то кодирование по методу JPEG обусловливает возникновение мозаичного эффекта в блочной структуре в краевых областях растра, где мелкие детали в структуре ТВ изображений преобразуются в

пределах блока или изменяют уровень постоянной составляющей. В реальных изображениях на краях растра увеличивается при этом вероятность возникновения обрамления границ и заметной блочной структуры, особенно, с увеличением степени сжатия.

В системах цифрового телевидения входное вадеоинформационное воздействие подвергается многочисленным преобразованиям. Схема формирования сигнала изображения в преобразователе "свет-сигнал" ТВ системы показана на рис. 1. Первоначально входное видеоинформационное воздействие попадает в ОС, которая работает как пространственный фильтр низких частот. Из-за действия операторов ограничения на входное видеоинформационное воздействие в ОС имеют место амплитудно-пространственные и амплитудно-частотные преобразования в реальной и спегаральной областях. Одними из важных операторов, действующих во входной части ОС, являются низкочастотные в пространстве операторы мультипликативного типа. Рассмотрено влияние операторов такого вида на структуру оптического воздействия.

Входное видеоинформационное воздействие

Оптическая система

I

г-I

Источник шума | ТВ камера

Пространственно •цветовой днекретизатор

£

Преобразователь поте ицнальаого рельефа в сигнал изображения

Блок синхроницацня н

управления ^г

Ф ¥

Формирователь одномерного ТВ сигнала Корректор

Рис. 1. Схема формирования сигнала в преобразователе "свет-сигнал" Воздействие на входе ОС представлено в виде суммы средней и переменной составляющих: 0(х,у,Г) = + Р(х,у,1), где /•"„ - средняя составляющая воздействия, а Р(х>У->0 - его перемешая составляющая.

Для случая статического во времени варианта работы общий коэффициент передачи ОС является функцией, которая зависит от аргументов х,у и пространственных частот , С0у и

может был. определён произведением- К пос = К^ (х,у)- Кпчх (х, у,0)1,ыу)-е

■ где

Кос(х,у)- зависимость коэффициента передачи от координат х, у в плоскости изображений,Кпчх(х,у,СОх,й)у) - зависимость коэффициента передачи от пространственной частоты в точке плоскости изображения с координатами х,у\ ^(й),,^) - фазовая характеристика

ОС. При <ох 0 и а>у -> О величина Кпа практически определяется изменениями К(*,>>)

в плоскости изображения, т.е. Кпос «

Тогда воздействие на выходе ОС описывается выражением: Ол(X,у,0 = 0(х,y,t)■ Кж(х,у) = F0 ■Koc(x,y) + F(x,y,t)-Koc(x,y). (1) Обозначим (соотношение (1)) спектр функции К^(-*■,>>) как Si(a>x,(ùy), а спектр функции F(x,y,t) как У(б>х ,а>у,<о). Тогда результирующий спектр воздействия на выходе ОС отражается следующим образом:

Sn{cox,œy,0) = Fe-St(ax,a>y)+V(cox,a>y,m)®Sll(a>x,0y). (2)

Первая составляющая выражений (1Д) иллюстрирует появление низкочастотных искажений фона, а вторая - интегрального усреднения (искажений) тонкой структуры спеетра видеоинформациошюго воздействия: Чем шире спектр пространственной неравномерности коэффициента передачи ОС, тем больше степень указанных интегральных искажений пространственного спектра видеоинформации, обусловленных влиянием ОС. Искажения могут бьпь устранены коррекцией в электрическом тракте, но сохраняется сопутствующее данному фактору ухудшение отношения сигнал/шум, свжштое с неэффективным использованием на краях внутрикдарового пространства реального амплитудного диапазона преобразователей "свег-сигнал".

Из-за низкочастотных искажений фона телевизионного изображения на совокупность смежных блоков накладываются низкоградиентные изменения сигнала фона по всем направлениям внутрикдарового пространства. Интенсивность соответствующих спектральных составляющих не является высокой и зависит от точности компенсации аддитивных искажений в ТВ камерах. К сожалению, высокая точность компенсации обычно достигается в современных преобразователях "свет-сигнал" лишь для фиксированной освещенности сцены. Изменения средней освещенности по отношению к данному уровню в реальных условиях обуславливает нарушение точности компенсации во внутрикадровом пространстве, что проявляется возникновением участков фона с низкоградиентными изменениями уровня во внутрикадровом пространстве по огаошению к среднему (интегральному) варианту компенсирующего сигнала. В результате появляются низкочастотные, по отношению к среднему уровню, изменения фона по фазе, т.е. «колебательного» типа при фиксированной освещенности сцены.

Составляющие пространственного спектра, отражающие эти изменения, отличаются по уровню в смежных блоках. Для фиксированной степени сжатия по стандарту JPEG характерно полное пороговое подавление аддитивных низкочастотных составляющих спектра в тех областях внутрикапрового пространства, для которых характерно наличие экстремумов функций

остаточных авдитавных искажений. В пределах таких областей и может возникать ложная граница относительно большой протяжённости, связанная со спецификой кодирования по стандарту ХРЕв и обусловленная, в частности, полным подавлением второй, третьей и тд гармоник низкочастотных составляющих. Большая её протяжённость во внутрикадровом пространстве определяет увеличение заметости подобного типа искажений.

Следовательно, цифровое вещательного телевидения диктует ужесточение требований к ТВ камерам по точности компенсации фоновых искажений. При этом используемые методы компенсации не должны приводить к появлению ложных, протяженных или локальных экстремумов в структуре фона. С другой стороны, должны быть разработаны методы целенаправленной компенсации блочной структуры, возникающей в подобных участках внутрикадровой структуры текущих ТВ изображений. В системах цифрового вещательного телевидения нелинейные преобразования (блочная фрагментация изображения, независимое ДКП с подавлением высокочастотных пространственных составляющих в структуре изображения блоков и др.) определяют также появление эффекта укрупнения шумовой структуры изображения, что, при внутрикадровом сжатии, увеличивает вероятность возникновения ложных границ в смежных блоках. Соответственно, возникает необходимость более жесткого подавления шумовых составляющих перед сжатием по стандарту МРЕО-2 (МРЕО-4).

Последующий раздел второй главы соответственно посвящбн разработке способа коррекции и антишумовой обработки сигнала изображения в системах телевидения. В современных преобразователях "свет-сигнал" применяется коррекция апертурных искажений, которая обеспечивает увеличение качества изображений за счет увеличения эффективности передачи высоких пространственных частот. Однако данная коррекция выполняется на выходе ТВ преобразователя "сигнал-свет" и приводит к увеличению вклада и шумовых составляющих.

Предлагаемый метод коррекции состоит в разделении сигнала на две составляющие: низкочастотную (НЧ) и высокочастотную (ВЧ), причем первую из них не подвергают обработке, а вторую подвергают коррекции и антишумовой обработке, с последующи»! сложением сигналов двух составляющих.

и

квч(«>)

Тз Тз |

Рис. 2. Импульсная характеристика устройства выделения ВЧ

и

Тз Тз

Рис. 4. Импульсная характеристика устройства выделения НЧ

Рис. 3. АЧХ устройства выделения ВЧ

КщСа)

Рис. 5. АЧХ устройства выделения НЧ

Импульсные характеристики устройств выделения ВЧ и НЧ показаны на рис. 2 и 4. Амплитудно-частотные характеристики устройства выделения определяются

выражениями: и показаны на рис. 3 и 5.

Последовательность действий при предлагаемой обработке иллюстрирует рис. 6 Для эффективной коррекции и антишумовой обработки сигнала, предлагается производить выделение ВЧ, текущее интегрирование ВЧ (вертикально ориентированных во внутрикадровом пространстве составляющих) сигнала изображения в вертикальном направлении. В результате последней операции повышается отношение сигнал/шум за счет корреляции сигналов смежных строк ТВ изображения

а)

г)

И3м

б)

Д)

О!«

и»«

\

В)

е)

ОзСО

/

\

Рис. 6. Последовательность операций обработки сигнала изображения при коррекции:

а) исходный, зашумленный сигнал;

б) высокочастотная составляющая сигнала;

в) результат сложения высокочастотных составляющих сигналов двух соседних строк;

г) сигнал после проведения пороговой обработки и интегрирования;

д) низкочастотная составляющая сигнала;

е) результирующий сигнал на выходе устройства коррекции и антишумовой обработки.

Далее, полученный сигнал ВЧ подвергают пороговой обработке для устранения шумовой составляющей, производится низкочастотная фильтрация данного сигнала. Подвергнутый обработке сигнал ВЧ складывается с выделенным сигналом НЧ. На следующем этапе необходимо проводить аналогичную обработку во внутрикадровом пространстве в вертикальном по растру направлении (обрабатываются столбцы).

Предложенный способ позволяет, наряду с коррекцией сигнала изображения, уменьшить влияние шумов. В системах цифрового ТВ поэтому целесообразно использовать разработанный вариант нелинейного устранения шумовых составляющих в исходном (до сжатия) сигнале изображения.

Третья глава «Разработка метода устранения «блокинг-эффекта» посвящена его разработке, обоснованию выбора узлов интерполяции и области усреднения при реставрации структуры фона.

Для устранения "блокинг-эффекта" (блочное™) первоначально выделяют ио внутрикадровом пространстве области изображения, в которых присутствуют совокупности фоновых блоков, т.е. блоков с низко градиентным и изменениями сигнала в смежных пикселях. После этого и пределах указанной совокупности определяется местоположение узлов интерполяции, а качеетне которых используются виртуальные точки внутри каждого блока. Выбранные узки являются опорными для интерполяции пикселей всей области изображения, определенной как фоновая. По отношении! к ним в данной области вычисляются значения уровней всех пикселей.

Проведённые исследования показали, что при фиксированных значениях степени ежгггия по стандарту MPEG и контрастности точки по отношению к фону искажения ей изображения имеют наибольшее значение в центральной области блока по отношению к, например, варианту её расположения на граничных элементах блока, В связи с этим в качестве узлов интерполяции и области, в которой производится усреднение данных, использованы граничные элементы блока. При этом равномерная сетка узлов упрощает интерполяцию. Вместе с этим, область, в которой производиться усреднение данных, для присваивания значений узлам интерполяции, охватывает относительно большое количество пикселей изображения, что снижает вгадейстнне локальных шумовых выбросов при вычислении уровня узлов интерполяции.

В качестве координат узлов интерполяции предложено выбрать виртуальные точки в центре каждой четверги блока, а области усреднения данных для получения уровня узлов интерполяции - два крайних ряда пикселей по периметру блока (рис,7), При этом уровень узла определяется результатом усреднения значений пикселей, расположенных в соответствующей четверти блока.

Для интерполяции значений пикселей изображения предложено использовать к усочно-квадратичную интерполяцию, преимуществом которой по отношению к »арианту сплайн-интерполяции является возможность устранения эффекта "блочное™" и па участках изображения, не имеющих прямоугольной формы. Интерполяционная формула в таком

имеет вид; /.дд,я=и,-л т^у2 +С,Ху + (1,. (3)

Рис, 7. Расположение узлов интерполяции и " областей ус]«лнения данных

Для случая равномерной сетки узлов получены конкретные соотношения, позволяющие вычислять коэффициенты al,bl,Cl,dl формулы (3) для каждой отдельной области интерполяции, ограниченной линиями, соединяющими узлы интерполяции.

В четвертой главе «Анализ и коррекция искажений формирования и передачи сигналов изображений в системах цифрового вещательного телевидения» разработан метод коррекции нелинейных искажений типа "гребенка", реализован анализ интерференции радиосигналов, пришедших в точку приема с разными задержками, разработан алгоритм оценки текущего состояния амплитудно-частотной характеристики сквозного радиоканала и предложена методика анализа (выбора) характеристик усилителей для цифрового ТВ вещания.

Из-за чересстрочной структуры растра возникают специфические искажения границ движущихся объектов, вызванные различным положением движущихся объектов в смежных полях одного кадра изображения. Эти специфические искажения носят нелинейный характер и получили упрощённое название "гребенка" или "расческа". Следствием появления подобного искажения в кадре является отсутствие возможности получать четкое изображение границ подвижного объекта в режиме "стоп-кадр'', а также снижение потенциально возможной величины коэффициента сжатия спектра изображения при кодировании по стандарту MPEG. Причиной последнего является интегрирование в пределах блоков неполного числа строк, отражающих изображения границ быстродвижущихся объектов в направлении, ортогональном направлению движения.

В предлагаемом в диссертации методе устранение вышеуказанных нелинейных искажений типа "гребенка" обеспечивается за счет вычисления и последующего вычитания из пространства четного (или нечетного) поля составляющих сигнала временной разности. Для определения сигналов пространственной разности, соответствующих горизонтальным границам неподвижных деталей изображения, и формирования необходимого сигнала управления предлагается сигнал текущего поля смещать в вертикальном в пространстве растра в направлении относительно опорного положения в пространстве растра на + 2 строки и вычитать соответствующие сигналы смещённых полей из опорного. Стробированием из сигнала пространственно-временной разности выделяют сигнал, соответствующий временной разности. Полученный сигнал временной разности вводится только в сигнал чётного поля, т.е. через одно поле. В результате этого компенсируются составляющие движения и при формировании кадра изображения будут отсутствовать искажения в виде "расчески" подвижных элементов изображения. Обработанные таким способом нечётные и чётные поля изображения

преобразуют в соответствующие кадры изображения, которые далее кодируют, например, по стандарту MPEG.

Во втором и третьем параграфах данной главы анализируется специфика многолучевого приёма в DVB-T. Показано, что средняя частота "гребенчатого" типа пульсаций в уровне амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) существенно возрастает с увеличением разницы в относительной задержке радиосигналов, а глубина режекции АЧХ - при сравнимых уровнях указанных составляющих. Следовательно, в условиях равенства уровней нескольких составляющих может резко деградировать качество приёма из-за полного подавления в пределах частотной оси, например, отдельных из непрерывных пилот-сигналов.

Далее в четвертой главе предлагается адаптивный алгоритм оценки текущего состояния АЧХ сквозного радиоканала и восстановления информационных символов. Преимуществом систем наземного ТВ вещания по стандарту DVB-T является применение модуляции COFDM (Coded Orthogonal Division Multiplexing), которая специально разработана для борьбы с помехами при многолучевом приеме.

В кадре COFDM совместно с информационными данными передаются опорные сигналы (распределенные и непрерывные пилот-сигналы), параметры и структура которых известна приёмнику, а также несущие сигналов параметров передачи. В частности, передаваемые непрерывные и распределенные пилот-сигналы позволяют на приемной стороне с ограниченной точностью вычислить изменения результирующей АЧХ и с применением интерполяционных методов скомпенсировать ее искажения. В материале диссертации предложен адаптивный алгоритм оценки текущего состояния АЧХ сквозного радиоканала и восстановления информационных символов.

В текущем времени оценивается характер и степень изменений (от символа к символу) АЧХ радиоканала. В отсутствии значительных изменений АЧХ радиоканала происходит накоплении опорных несущих по нескольким символам OFDM, пока степень изменений АЧХ не выйдет за пределы заданного порога. Восстановление информационных символов производится в этом случае по накопленным за время отсутствия значительных изменений АЧХ пилот-сигналам и имеет высокую точность за счет относительно высокой частоты следования опорных несущих в пространстве "частота - время". В случае же появления значительных (превышающих заданное пороговое значение) изменений АЧХ во времени, прекращается накопление опорных несущих и осуществляется переход на вариант работы в пределах одного/двух или более символов OFDM, когда накопление практически отсутствует и восстановление происходит с использованием текущих опорных несущих.

Для восстановления информационных символов предложено использовать как частотную (при фиксированном времени) так и временную (при фиксированной частоте) интерполяцию с определенным весовым сочетанием результатов обоих вариантов интерполяции. При этом изменения весового сочетания результатов фактически определяются в текущем времени производными функции, отражающей зависимость уровня опорных несущих по направлениям частоты и времени. В случае, например, когда степень изменения опорных несущих во времени превышает заданный порог, возможно использование только результата интерполяции по частотному направлению, а при уменьшении динамических изменений АЧХ радиоканала возрастает вклад результатов интерполяции по временному направлению.

В связи с тем, что для разработанного алгоритма в общем случае характерным является неравномерное расположение узлов, то в данном разделе работы восстановление информационных сигналов предлагается осуществлять с применением интерполяционной формулы Ньютона.

В случае отсутствия выраженных изменений АЧХ радиоканала во времени в пределах 68 символов OFDM (кадр OFDM) осуществляется переход к укрупненному алгоритму адаптивной оценки текущего состояния АЧХ сквозного радиоканала и восстановления информационных символов. Здесь снова оценивается степень изменений АЧХ сквозного радиоканала во времени. Далее, в зависимости от результатов оценки, либо сразу производится восстановление информационных символов, либо при допустимой степени (скорости) изменений АЧХ во времени производится накопление опорных сигналов 2,3 или 4 кадров OFDM и восстановление информационных символов кадра OFDM с учетом всей полученной информации о текущем состоянии радиоканала. Следовательно, при отсутствии выраженных (выше порога) изменений во времени АЧХ сквозного радиоканала восстановление информации осуществляется с использованием всех рассредоточенных опорных несущих, накопленных за 4 кадра OFDM (рис.8).

Такой вариант обеспечивает максимально возможную точность восстановления (интерполяции) АЧХ. Кроме этого, в данном случае выполняется условие равномерности расположения узлов интерполяции, что даёт возможность восстановления АЧХ в ячейках пространства "частота-время", совпадающих по координатам с информационными несущими, с использованием упрощенных интерполяционных формул.

Kmui ~ о 48 54

t 1 ] •ОО »00« о оа о о аосаооаоо аОЯ «О 0« О О» О О • О й * ОО «О О • ОС ■ О О в О О ■ ОО * ■::: •ООвОО • О ОвООвООаООаОО аООаООв00»00а00»00»00«00в00в00в00а ::::: •омом о о« ооаооасюа оо ■ о ом ом ооа оо а оо • сю во оа по ■ о пао о а оо ■ •о о» оо» о оао о аооаооа ооа о amoomoam оо а о о а оо «о о • оо а о о ао о а оо • •о оа оо» о оа со а о о «ю от о о • ооаооаоо» оо а оо • оо ао о аоо аоом о аоо а •о оа оо» о о*оо а о a ao оа о оа о оаооаооа оо а оо а о о•ооаоо аооаоо*ооа ао о а оо» о оа оо а о о а л о* с о а о а *оо ао о ■ □ а в о о ■ о о я о о а сю eon «о о «оо и •о ааоошооаооаооаооаоо•00900тоотоотооаоовооаооаоо*ооаоо а аооаооаооаооаооаооаооаооаооаоо»оо«ооаоо вооаооаоовооасю» •оо аоо »ооа о оа оо ао оао о а оо во о ао о« о оао оа оо аооа оо »оо *оо а ооа аоо аоо>ооаооаооаооаооаооаоотоотооаооаооаооаonаооаооаооа аоо в оо * о оа о о т оо а о о*сю а о оао о» о о» о о а о о « оо в о оа оо в о о ао о а оо а

Рис. 8. Отсутствие изменений АЧХ во времени н накопление опорных несущих

Разработанный адаптивный алгоритм восстановления информационных символов позволяет эффективно использовать ресурсы структуры кадра OFDM а различных условиях приема пользователем DVB-T сигнала и типах радиоканалов и имеет потенциальные возможности по его доработке при учете специфики локального изменения анализируемых пилот-сигналов по различным в пространстве "частота-время" фиксированным направлениям. К тому же, в каждой локальной области указанного пространства следует определять эффективпьтй вариант весовой обработки результатов интерполяционного восстановления АЧХ, выполненного по выбранным ортогональньш направлениям б частотно-временном пространстве.

Для излучаемого радиосигнала DVB-T характерно появление пысо«огради стггиых изменений уровш, значительно превышающих его среднее, в пределах динамического диапазона, значение. В текущем режиме работы передатчика при этом имеют место относительно кратковременные, но значительные по амплитуде пульсации выходного радиосигнала. Из-за нелинейности амплитудной характеристики выходною усилителя может при этом существенно искажаться его текущий спектр. В связи с этим в работе предложена методика анализа и выбора формы указанных характеристик.

Ограниченное по протяжённости гармоническое колебание с амплитудой, равной А (использовано к качестве исходного сигнала на входе усилителя) аппроксимируют с помощью совокупности прямоугольных функций следующим образом:

П=0 (=0

,, тг^ . I t~t0 - пТ t-tb-Tll-nT

«(Г) = У У Ау\ reel-2——- reel----

№

_ Т 2arcsin(/ry)

Здесь xt ~~ " - днитедьность прямоугольного импульса, tr-

T-ZL

длительность аппроксимируемого сигнала, 1 — - период аппроксимируемого

сигнала, /„- сдвиг во времени аппроксимируемого сигнала,

N = -

- количество

периодов аппроксимируемого сигнала, у - амплитуда прямоугольного импульса,

К = -

- количество прямоугольных импульсов, необходимых для аппроксимации одного (положительного или отрицательного) лепестка аппроксимируемого сигнала.

Спектральные плотности, соответствующие исходному и сигналу (4), определяются соотношениями:

Л —¡6) 1а $(®) = -/,е 0 2

- " +—7-ч- е

\в> + <°с){сП

(5)

л=о м со-хк/2

Для получения спектральной плотности результирующего сигнала на выходе усилителя следует просто умножить во втором выражении (5) амплитуды (Ау) аппроксимирующих составляющих на весовые коэффициенты, значения которых дискретно отражают изменения усиления в зависимости от уровня входного сигнала.

а)-хк/2 >

Отличия спектральных характеристик входного и выходного аппроксимированных сигналов обусловлено действием нелинейности амплитудной характеристики.

Разработанная методика позволяет выявлять влияние различных вариантов формы амплитудных характеристик усилителей на параметры спектра выходного сигнала и с учётом полученных результатов обеспечить заданные к ним требования.

На рис. 9 показаны несколько графиков с вариацией по отношению к идеальному (сплошная линия) формы амплитудных характеристик усилителей.

Нормируя спектральные плотности можно выбрать оптимальную амплитудную

Рис. 9. Варианты амплитудных характеристик усилителей

характеристику усилителя, обеспечивающую минимизацию влияния нелинейных искажений на спектр выходного сигнала. Из выбранных для анализа характеристик этому условию удовлетворяет первая, которая дает минимальный уровень сопутствующих нелинейному усилению гармонических составляющих, и, таким образом, обеспечивает минимизацию влияния нелинейных искажений.

В пятой главе «Результаты разработки устройств коррекции линейных и нелинейных искажений изображений в системах цифрового вещательного телевидения» разработаны в соответствии с предлагаемыми методами и алгоритмами коррекции устройства, приведены результаты разработки программного обеспечения для моделирования устранения "блокинг-эффекта" и экспериментальных исследований.

В первом разделе пятой главы, в частности, представлены результаты разработки способа и устройства кодирования сигнала изображения по стандарту МРЕО-2 с предварительным подавлением нелинейных искажений при передаче границ изображений, соответствующих объектам с относительно быстрым движением в пространстве видеоконтроля. По данным способу и устройству получен патент на изобретение N22287909 от 20 ноября 2006 г. с приоритетом 15 декабря 2004 г.

Второй раздел данной главы посвящен результаты разработки устройства коррекции и антишумовой обработки сигнала изображения. Полная его схема состоит из последовательно включённых устройств, представленных на рис.10.

Устройство коррекции и антишумовой обработки в горизонтальном по растру направлении

Устройство трансформации изображения

Устройство коррекции и антишумовой обработки в вертикальном по растру направлении

Устройство обратной трансформации изображения

Рис. 10. Устройство коррекции и антишумовой обработки сигнала изображения

На рис. 11 изображена схема устройства коррекции и антишумовой обработки в горизонтальном во внутрикадровом пространстве направлении. Устройство работает следующим образом.

Сигнал, поступающий на устройство, задерживают на время строки, из исходного и задержанного сигналов выделяют, с помощью устройств внутрикадровой цифровой фильтрации, ВЧ и НЧ составляющие. Сигналы ВЧ инвертируют и подключают к сумматору. В сумматоре одномерные ВЧ-составляющие

горизонтальной коррекции усредняются в вертикальном (в пределах внутрикадрового пространства) направлении. С выхода сумматора результирующий сигнал поступает в пороговое устройство, где подвергается пороговому ограничению по минимальному уровню. При этом на фоновых участках полностью подавляются шумовые составляющие и низкоуровневые участки (в пределах полного амплитудного диапазона) полезной составляющей. Далее сигнал попадает на интегратор, где производится низкочастотная фильтрация (усреднение вертикальной ВЧ составляющей в горизонтальном направлении), обеспечивающая реставрацию низкоуровневых участков полезной и дополнительное подавление шумовой составляющих.

Интегрирующее устройство и устройство выделения низкочастотной составляющей отличаются лишь шириной полосы фильтрации. У интегрирующего устройства, в идеальном случае, должна быть более широкая полоса пропускания, и, таким образом, меньшее время задержки, чем у устройства выделения низкочастотной составляющей.

Полученный сигнал через регулятор степени коррекции поступает на второй сумматор, где складывается с сигналом НЧ.

Описанная процедура осуществляет коррекцию и антишумовую обработку в горизонтальном по растру направлении (обрабатываются строки изображения). Последовательно с такой обработкой проводится, во внутрикадровом пространстве, практически аналогичная обработка в вертикальном по растру направлении (обрабатываются столбцы). Поэтому перед устройством коррекции и антишумовой обработки в вертикальном по растру направлении введено устройство трансформации изображения, производящее поворот изображения на 90°. После же устройства коррекции

Рис. 11. Схема устройства коррекции и антишумовой обработки сигнала изображения в горизонтальном во внутрикадровом пространстве направлении

и антишумовой обработки в вертикальном по растру направлении включено устройство обратной трансформации сигнала изображения.

Далее в пятой главе разработано программное обеспечение для моделирования метода устранения блокинг-эффекта. Алгоритм модели устройства устранения блокинг-эффекта реализован на языке МайаЬ. Сначала осуществляется ввод исходного изображения. Перед обработкой проверяется является ли фоновый блок элементом совокупности заданного размера. В результате проверки заполняется массив маркирующий блоки, требующие обработки. Обработка фоновых блоков осуществлялась лишь в том случае, если фоновые блоки образуют собой совокупности, площадь каждой из которых превышает размер 3x3 блока.

Рис. 12. Схема алгоритма устранения "блокинг-эффекта"

Затем реализуют вычисление значений узлов интерполяции и производится интерполяция значений пикселов изображения в соответствии с принципами, описанными

во второй главе настоящей работы. При этом в варианте, когда используется сплайн-интерполяция, перед ее выполнением осуществляется разбиение совокупностей отобранных ранее блоков на прямоугольные области. Далее значения пикселов изображения заменяются рассчитанными величинами. Обработанное изображение записывается в файл. Алгоритм устранения "блокинг-эффекта" изображен на рис.12.

В диссертации приведены результаты работы алгоритма устранения блокинг-эффекта. Использованное тестовое изображение «Лес» отличается большой заметностью искажений "блочности" после сжатия по методу JPEG. После соответствующей обработки и сплайн-интерполяции "блочность" была устранена полностью. При использовании кусочно-квадратичной интерполяции "блочность" стала менее заметной. Следует, однако, отметить, что сплайн-интерполяция дает лучший результат лишь на прямоугольных фоновых областях.

В заключении приводятся основные выводы по результатам выполненной работы

В приложении приведен текст программы, моделирующей устранение "блокинг-эффекта".

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Выявлено, при проведенном анализе сжатия спектра сигналов изображений по стандарту MPEG-2, наличие в пределах отдельных блоков и их последовательностей нелинейных, перекрёстного типа, искажений спектров независимых составляющих структуры соответствующих фрагментов изображения, которые резко расширяют набор дефектов, возникающих в структуре сигнала изображения блока при увеличении степени сжатия.

2. Обоснована необходимость селекции и идентификации при проведении коррекции искажений и дефектов изображений в системах цифрового вещательного телевидения в текущем сигнале совокупностей смежных блоков, имеющих эквивалентную структуру изображений, и реализации в их пределах алгоритмов коррекции, учитывающих общую для последних специфику изображения.

3. Разработан новый метод устранения "блокинг-эффекта" на этапе декодирования сигналов изображений в системах цифрового вещательного телевидения, спецификой функционирования которого является селекция в структуре изображения совокупностей блоков, имеющих заданный (по верхнему пределу) градиент сигнала изображения в пределах блока и двумерная параллельная интерполяционная обработка совокупностей отсчётов, обеспечивающая высокую эффективность подавления искажений фона в протяжённых (более двух блоков) в пространстве кадра участках с соответствующим весовым падением заметяости указанного эффекта.

4. Разработаны методы и устройства коррекции линейных и нелинейных искажений сигналов изображений в системах цифрового телевидения, обеспечивающие увеличение степени сжатия спектра.

5. Разработан алгоритм текущего контроля сквозной частотной характеристики радиоканала в системах цифрового ТВ по стандарту DVB-T, обеспечивающий адаптивное изменение точности оценки в зависимости от условий функционирования.

6. Предложена методика, которая позволяет анализировать влияние различных вариантов амплитудных характеристик усилителей на параметры спектра выходного сигнала и с учётом полученных результатов обеспечивать заданные к ним требования

7. Реализованы программное обеспечение, моделирующее процесс устранения "блокинг-эффекта", и экспериментальные исследования разработанного метода реализации интерполяционной реставраций структуры фона при декодировании сигналов изображений в системах цифрового телевидения.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ

1. Безруков В.Н. Комаров П.Ю. Линейные искажения сигналов изображений в системах цифрового телевидения со сжатием по стандарту MPEG-2 // Научная конференция профессорско-преподавательского, научного и инженерно-технического состава: Тез. докл. Книга 1. - М.: МТУСИ, 2004. - С. 125.

2. Комаров П.Ю. Коррекция искажений информационных сигналов в системах вещательного цифрового телевидения // Научная конференция профессорско-преподавательского, научного и инженерно-технического состава: Тез. докл. Книга 1.-М.: МТУСИ, 2004.-С. 125-126.

3. Безруков В.Н., Комаров П.Ю., Чуксин В.В. Объективная оценка искажений изображений в системах цифрового вещательного телевидения и видеоинформатики // Научная конференция профессорско-преподавательского, научного и инженерно-технического состава: Тез. докл. Книга 1.-М.: МТУСИ, 2005. - С. 110-111.

4. Комаров П.Ю. Анализ характеристик линейных телевизионных устройств // Научная конференция профессорско-преподавательского, научного и инженерно-технического состава: Тез. докл. Книга 1. - М.: МТУСИ, 2006. - С. 131-132.

5. Комаров П.Ю. Коррекция нелинейных искажений изображений в системах цифрового вещательного телевидения // Научная конференция профессорско-преподавательского, научного и инженерно-технического состава: Тез. докл. Книга 1.-М.: МТУСИ, 2006. - С. 137-138.

6. Комаров П.Ю., Ланчиков П Н. Особенности передачи информации в системе DVB-T // Труды МТУСИ: Сборник статей. - М.: МТУСИ, 2004 - С. 84-90.

7. Комаров П.Ю. Способ коррекции и антишумовой обработки в системах телевидения // Труды МТУСИ: Сборник статей. - М.: МТУСИ, 2006. - С. 76-89.

8. В.Н. Безруков, И.В. Власюк, П.Ю. Комаров. Мультипликативные амплитудные искажения оптического отображения видеоинформации в пространство кадра при телевизионном контроле И Метрология и измерительная техника в связи. - 2005. -№5(47). - С.24 - 28.

9. Безруков В.Н.,. Кардонская И.Л, Комаров П.Ю. Алгоритм оценки текущего состояния амплитудно-частотной характеристики сквозного радиоканала // Деп. в ЦНТИ «Информсвязь» от 26.05.2006 № 2275 - св. 2006. - С. 2-14.

10. Комаров П.Ю. Многолучевой прием в DVB-T И Деп. в ЦНТИ «Информсвязь» от 26.05.2006. № 2275 св. 2006. - С. 15-24.

П.Комаров П.Ю. Линейные искажения в системах телевидения // Деп. в ЦНТИ «Информсвязь» от 26.05.2006 № 2275 - св. 2006. - С. 25-40.

12. Безруков В.Н., Рабинович A.B., Комаров П.Ю. Способ преобразования цифрового сигнала изображения и устройство для его реализации // Пат. 2287909 МПК Н04 №7/28.

13. Балобанов A.B., Власюк И.В., Комаров П.Ю. Коррекция пространственных искажений сигнала изображения в системах цифрового телевидения // Инфокоммуниканнонные технологии - 2006 - № 4 - С. 69-73.

14. Безруков В.Н., Власюк И.В., Комаров П.Ю. Цифровое ТВ: специфические искажения // Мобильные системы.- 2006 - № 11- С. 28-33.

Подписано в печать 29.01.2007 г. Формат 60x84/16.

_Объем 1,6 усл. п. л. Тираж 100. Заказ 39._

ООО «Инсвязьиздат». Москва, ул. Авиамоторная, 8.

Введение.

Глава 1. Международный сгандар! кодирования с информационным ежа тем MPEG-2.

1.1. Кодирование изображений с преобразованием.

1.2. Сжатие статических изображений.

1.3. Сжатие динамических изображений.

1.4. Масштабируемость спаем сжатия.

1.5. Выводы.

Глава 2. Рафаботка методов коррекции линейных искажений сигналов в сиаемах цифрового телевидения.

2.1. Анали! пространственных импульсных характериешк inoiponnoio оптического тракта сисмем телевидения.

2.2. Линейные искажения сигналов в системах цифрового телевидения со сжатием по ciaiwapiy MPEG-2.

2.3. Многомерная opioi опальная дискретишция.

2.4. Способ коррекции и ангишумовои обработки в сисз емах телевидения.

2.5. Выводы.

Глава 3. Рафаботка метода устранения «блокиш-эффекта».

3.1. Специфика обрабо1Ки видеоданных в кодерах цифровою сжашя.

3.2. Классификация типов блоков, возникающие в резулыате работы алюршма MPEG.

3.3. Обоснование выбора узлов интерполяции и области усреднения.

3.4. Выбор интерполяционных формул для устранения блочное!и.

3.5. Выводы.

Глава 4. Анализ и коррекция искажений формирования и передачи сигналов изображений в системах цифрового вещательного ¡елевидения.

4.1 Разработка метода коррекции нелинейных искажений типа "гребенка".

4.2. Многолучевый прием в DVB-T.

4.3. Математическая модель интерференции радиосигналов, пришедших в точку приема с разными задержками.

4.4. Алгоритм оценки текущею состояния амнлитудно-часютной характеристики сквозного радиоканала.

4.5. Особенности анализа и выбора характеристики усили!елей для цифрового телевизионного вещания.

4.6. Выводы.

Глава 5. Результат рафаботки устройств коррекции линейных и нелинейных искажений изображений в системах цифрового вещательного телевидения.

5.1. Рафаботка устройсчв коррекции линейных искажений изображений в системах цифровою вещательного ¡елевидснин.

5.2. Разработка устройс1ва коррекции нелинейных искажений изображений в системах цифровою вещшелыюго (елевидения.

5.3. Разработка программного обеспечения для моделирования метода устранения блокинг-зффекта.

5.4. Выводы.

Акгуальность темы.

За основу для перехода до 2015г. телевизионного вещания России на цифровой стандарт определена европейская система DVB (Digital Video Broadcasting),4aciHbiMH вариациями которой являются цифровые системы, наземного - DVB-1, спутникового и кабельного телевизионного вещания

В связи с этим перед национальной промышленностью России стоит задача освоения производства передающего и приемного оборудования по стандарту DVB Отечественные производители такого оборудования должны выдержать конкуренцию на мировом рынке Это определяет актуальность задачи разработки эффективных методов и алгоритмов, обеспечивающих существенное увеличение качества изображений цифровою ТВ вещания в вариантах оборудования, производимого в России Соответственно актуальной задачей является разработка новых методов и устройств формирования и коррекции сигналов цифрового ТВ вещания, позволяющих увеличить эффективность рабо1ы указанных выше систем стандарта DVB за счет реального повышения качеава передаваемых IB изображений и сопутствующих услуг Поэтому тема представленной диссертационной работы является актуальной

Большой вклад в разработку теоретических основ цифрового телевидения, методологии коррекции информационных сигналов в цифровых 1В системах, внедрения сисмем ЦТВ в России внесли работы Безрукова В Н , 1 лассмана К Ф , Дворковича В П , Зубарева Ю. Б, Катаева С И , Кривошеева М. И , Кукка Н И , Севальнсва J1 А , Селиванова А С , Хромою Б II, и других, а также иреподава1елси, аспирантов кафедры телевидения МТУСИ и сотрудников лаборатории " Цифровой обрабо1КИ телевизионных сигналов"(НИЛ-11) НИЧ МТУСИ

Считаю своим долгом выразить блаюдарность заведующему кафедры телевидения им С.И Катаева М ГУСИ и НИЛ-11 НИЧ МТУСИ профессору, доктору технических наук Безрукову ВН. за научное руководство, копсулыации и помощь, оказанные при разработке теорешческою материала данной диссертации

Цель и задачи работы.

Целью настоящей диссертационной работы является разработка эффективных методов и устройств коррекции искажении в системах цифрового вещательною телевидения, учитывающих специфику формирования, кодирования и преобразования сигналов по стандартам MPFG-2, DVB и обеспечивающих повышение качества функционирования элементов оборудования, используемых при передаче сигналов по каналам связи, а также разработка и моделирование алюритмов, реализующих предложенные методы

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие научно-практические задачи

1 Проведен анализ искажений формирования и преобразовании сигналов ТВ изображений в системах цифрового телевидения

2 Разработай метод устранения "блокиш -эффекта".

3 Разработан метод коррекции линейных искажений сигналов в системах цифрового телевидения

4 Разработан метод коррекции нелинейных искажений (типа «гребенка»), возникающих при передаче границ изображений, ориентированных во впутрикадровом пространстве в направлении, ортогональном направлению движения

5 Разработан алгоритм текущего контроля сквозной часчотной харакгеристики радиоканала в системах цифрового ТВ по стандарту ОУВ-1.

6 Разработана методика анализа и выбора характеристик усилителей для цифрового телевизионного вещания.

7 Проведены экспериментальные исследования разработанного метода устранения искажений типа "блокинг-эффекта", создана про1рамма, моделирующая процесс устранения "блокинг-эффекга".

Методы исследования.

При решении поставленных задач в работе использованы современные меюды анализа /еории радиотехники, включая элеменш теории функций и функционального анализа, теории радиотехнических цепей, теории численного интегрирования и дифференцирования, линейной алгебры и геометрии, методы спектрального анализа Фурье, численно! о анализа и программирования и др

Научная новизна работы

Научная новизна настоящей работы заключается в следующем.

1. Проведен теоретический анализ характеристик, параметров и искажений формирования сигналов ТВ изображении в системах цифровою вещательною телевидения.

2 Разрабо1ан метод устранения "блокиш-эффекш"

3 Разработан метод коррекции линейных искажении сигналов в системах цифрового телевидения.

4 Разработан метод коррекции нелинейных искажений жпа "гребенка"

5 Разработаны принципы и алюритм текущего адаптивного контроля и соответственно коррекции сквозной частотной характеристики радиоканала в системах цифрового ТВ по стандарту DVB-T

6 Разработана методика анализа и выбора характеристик усилителей для цифрового телевизионного вещания

7 Создана программа, моделирующая процесс устранения "блокинг-эффекта"

Реализация результатов работы.

Результаты работы использованы при проведении учебного процесса на кафедре телевидения им С И. Катаева МIУСИ и при выполнении НИР в лаборатории "Цифровой обработки телевизионных сигналов" (НИЛ-11) НИЧ Ml УСИ и в ОАО «МАРТ», Саню-Петербур1

Апробация результаюв работы.

Основные положения диссертационной работы обсуждались на россииских научно-технических конференциях и семинарах.

1. Научно-техническая конференция профессорско-преподаватель-ского, научною и инженерно-технического состава, МI УСИ, Москва, 2004 г.

2 Научно-техническая конференция профессорско-преподавагель-ского, научного и инженерно-¡ехнического состава, МI УСИ, Москва, 2005 г.

3 Научно-техническая конференция профессорско-преподава1ель-ского, научного и инженерно-техническою состава, МТУ СИ, Москва, 2006 i

Практическая ценность раб(лы.

1 Разработан метод устранения "блокиш -эффекта"

2 Разработан метод коррекции линейных искажений сш палов в системах цифрового телевидения, позволяющий, наряду с коррекцией сшиала изображения, уменьшить влияние шумов.

4 Разработан метод коррекции нелинейных искажений типа "гребенка", коюрый позволяет снижать потенциально-возможную величину коэффициента сжатия изображения при кодировании по стандарту MPEG из-за интегрирования в пределах блоков неполною числа строк, отражающего изображения 1раниц быстродвижущихся объектов в направлении, ортогональном направлению движения

5 Разработаны принципы и алгоритм 1екущего адаптивною контроля и соответственно коррекции сквозной частотной характерна ики радиоканала в сиаемах цифрового 1В по аандарту ОУВ-Т.

6 Разработана методика анализа и выбора характеристик усилителей для цифрового телевизионного вещания

Личный вклад

Основные положения, теоретические выводы и рекомендации, представленные в материалах данной диссертационной работы, получены автором самостоятельно

Публикации.

По материалам диссертационной рабош опубликовано 11 научных рабо1 Ма1ериалы работы предаавлепы также в омегах по НИР ПИЛ-11 НИЧ МТУСИ

Основные положения, выносимые на защиту.

1 Резулмаш анализа искажений формирования сигналов 1В изображении в системах цифрового веща1ельного телевидения

2 Разрабоынныи метод устранения '"блокинг-эффекга"

3 Разработанный метод и устройства коррекции линейных искажений сигналов в системах цифрового телевидения

4 Разработанный метод и устройаво коррекции нелинейных искажений типа «гребенка»

5 Разработанный алюритм контроля текущего состояния сквозной час I о гнои харак1ерис1ики радиоканала в системах цифровою 1В по стандарту ОУВ-Т

6. Методика анализа и выбора характерна ик усилителей для цифрового телевизионною вещания

7 Результаты экспериментальных исследований разработанного меюда устранения ' блоки нг-эффекта"

Объем и структура работы.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения Работа изложена на страницах машинописною текста Список литературы включает 118 наименований

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем

1 Выявление при проведенном анализе сжатия спектра сигналов изображений по стандарту MPEG-2 наличия в пределах отдельных блоков и их последовательностей нелинейных, перекрестною типа, искажений спектров независимых составляющих структуры соответствующих фрагментов изображения, которые резко расширяют набор дефектов, возникающих в структуре сигнала изображения блока при увеличении степени сжатия,

2. Обоснование необходимости селекции и идентификации при проведении коррекции искажений и дефекюв изображений в системах цифрового вещательною телевидения в текущем сшнале совокупностей смежных блоков, имеющих эквивалентную структуру изображений, и реализации в их пределах алгоритмов коррекции, учитывающих общую для последних специфику изображения,

3. Разработанный новый метод устранения "блокинг-эффекта" на этапе декодирования сигналов изображений в системах цифрового вещательною телевидения, спецификой функционирования которого является селекция в структуре изображения совокупностей блоков, имеющих заданный (по верхнему пределу) градиент сит нала изображения в пределах блока, и двумерная параллельная интерполяционная обработка совокупностей отсчетов, обеспечивающая высокую эффективность подавления искажении фона в протяженных (более двух блоков) в пространстве кадра участках с соответствующим весовым падением замегности указанного эффекта

4 Разработанный методы и устройства коррекции линейных и нелинейных искажений сигналов изображений в системах цифрового телевидения, обеспечивающие увеличение степени сжатия спектра

5. Разработанный алгоритм текущего контроля сквозной частотной характеристики радиоканала в системах цифрового ТВ но стандарту ЭУВ-Т, обеспечивающий адаптивное изменение точности оценки в зависимости ог условий функционирования.

6 Предложенная методика, которая позволяет анализировать влияние различных вариантов амплитудных характеристик усилителен на параметры спектра выходного сишала и с учетом полеченных результатов обеспечивать заданные к ним требования

7 Реализованы программное обеспечение, моделирующее процесс устранения "блокиш -эффекта", и экспериментальные исследования разработанного меюда реализации интерполяционной реставрации структуры фона при декодировании сигналов изображении в системах цифрового телевидения

Заключение.

В процессе выполнения диссертационной работы были разработаны и исследованы эффективные методы коррекции искажений в системах цифрового вещательною телевидения, учитывающие специфику формирования, кодирования и преобразования сигналов по стандартам MPEG-2, DVB и обеспечивающие повышение качества функционирования элементов оборудования, используемых при передаче сигналов по каналам связи, проведена разработка и моделирование алюритмов, реализующих предложенные методы

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили решить следующие задачи

1 Проведен анализ искажений формирования и преобразований сигналов ТВ изображений в системах цифрового телевидения.

2 Разработан меюд устранения "блокиш -эффекта".

3 Разработан метод коррекции линейных искажений сигналов в системах цифрового телевидения.

4 Разработан метод коррекции нелинейных искажений (типа «гребенка»), возникающих при передаче границ изображений, ориентированных во внутрикадровом пространстве в направлении, ортогональном направлению движения .

5. Разработан алюритм текущего контроля сквозной частотой характеристики радиоканала в системах цифрового ТВ по стандарту DVB-T

6 Разработана меюдика анализа и выбора характеристик усилителей для цифрового телевизионного вещания

7 Проведены экспериментальные исследования разработанного метода устранения искажений типа "блокинг-эффекта", создана программа, моделирующая процесс устранения "блокинг-эффекта".

1. Л А Севальнев Международный стандарт кодирования с информационным сжагием MPEG-2 Журнал "625", N1, 1997 г , с 58 62.

2. Зубарев Ю.Б , Кривошеее М И , Красносельский И Н Цифровое телевизионное вещание Основы, меюды, сиаемы -М (НИИР-ИОИ), 2001

3. Цифровая обработка телевизионных и компьютерных изображении / Под. ред Ю.Б Зубарева и В 11. Дворковича М,- МЦПТИ, 1997.

4. ISO/IEC 10918-1: Information technology Digital compression and coding of continuous-tone still images Requirements and guidelines, 1994

5. ISO/IEC 13818-2 Information Technology — Generic Coding of Moving Pictures and Associated Audio Information Video, 1995.

6. Смирнов А В. Основы цифровою телевидения: Учебное пособие-М. "Горячая линия Телеком", 2001

7. Danyali II, Mertins A. Fully scalable wavelet-based image coding for transmission over heterogeneous networks // School of electrical, computer and telecommunications engineering university of Wollongong, Wollongong, Australia, 2002.

8. Зубарев ЮБ, Дворкович В Г1, Козлов В А, Артамонов СЕ Мультимедиа -проблемы и перспективы внедрения систем в России // Цифровая обработка си1 налов, №1, 2001.

9. Ohm J Advances in scalable video coding // Proc. of the IFEE, vol 93, no 1, 2005

10. ISO/IEC 11172-2 Information technology Coding of moving pictures and associated audio for digital storage media at up to about 1,5 Mbit/s - Part 2. Video, 1993

11. ISO/IEC 14496-2 Information technology Coding of audio-visual objects - Part 2 Visual, 1999

12. Рабинович А.В Кодирование изображений с применением вейвлет-преобразования1. Труды НИИР, 2003.

13. Mallat S A theory for multiresolution signal decomposition1 I he wavelet representation // IEEE Transactions on pattern analysis and machine intelligence, 11(7), 1989

14. Воробьев В И., Грибунин В.Г. Теория и практика вейвлет преобразования - С -Петербург ВУС, 1999

15. Lewis А , Knowles G Image coding using the 2-D wavelet transform // IEEE Trans on image processing, vol 1,1992

16. Daubechies I. Orthonormal bases of compactly supported wavelets Commun pure appl mathematics, vol XLI, 1988

17. А Телевидение. Под. редакцией В Е. Джакони. М : Радио и связь, 1997.

18. А П. Гловацкая, Методы и алгоритмы вычислительной математики Учебное пособие для вузов, М.: Радио и связь, 1999

19. Проектирование и техническая эксплуатация телевизионной аппаратуры / В Н Безруков, В. С. Беляев, I Т Дерибас и др; Под ред С. В Новаковского М Радио и связь, 1994

20. Безруков В II, Разработка и применение методов анализа характеристик и параметров элементов формирования сигналов изображения в системах телевидения, автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук, Москва 1994

21. В.Н. Безруков Анализ характеристик спектра ортогональных структур квазипериодической дискретизации в системах телевидения Радиотехника, 1989, №2, с. 3-7

22. Безруков В. Н , Власюк И В , Комаров П Ю , Мультипликативные амплитудные искажения оптического изображения видеоинформации в пространстве кадра при телевизионном контроле объектов, Журнал "Метрология и измерительная техника в связи" №5 2005 г

23. И С. Гоноровский, МП. Демин, Радиотехнические цепи и сишалы, М Радио и связь, 1994

24. С И Баскаков, Радио1ехнические цепи и сигналы, М Высшая школа, 1983

25. ПрэттУ Цифровая обработка изображении М. Мир, 1982 - 1-2 том.

26. В С. Бабенко, Оптика телевизионных устройств, 2-ое изд, перераб. и доп. М: «Радио и Связь», 1982

27. Брауде Г.В. Коррекция телевизионных и импульсных сигналов -М Связь, 1967

28. Б. А. Локшин, Цифровое вещание, от студии к телезрителю, Syrus systems, Москва 2001.

29. Теория и практика цифровой обработки сигналов (по материалам международной конференции DSPA'98), Доклад А В Дворковича и др

30. А.Г. Черноглазое Исследование и разработка адашивных методов и устройства цифрового сжатия и восстановления спеюра телевизионных изображений Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, Москва 2004

31. А Ю Грачев, Разработка методов и устройств эффективного формирования сигналов в цифровых системах наземного телевизионного вещания, Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, Москва 2005

32. К Гласман, Meiоды передачи данных в цифровом телевидении Часть 1 , Журнал "625", 1999, №5

33. К Гласман, Методы передачи данных в цифровом телевидении Часть 2 , Журнал "625", 1999, №7

34. К. Гласман, Методы передачи данных в цифровом телевидении Часть 3., Журнал "625", 1999, №9

35. Кривошеев М. И. Цифровое Телевидение M : ВЗЭИС, 1985.

36. Кривошеев M И, Виленчик JI С, Красносельскии И H и др Цифровое телевидение Подред МИ Кривошеева -М : Связь, 1980

37. Птачек M Цифровое телевидение. Теория и техника M Радио и связь, 1990

38. В Ф Самойлов, Б П Хромой Телевидение -М" Связь, 1975

39. А А Харкевич Спектры и анализ М. Государственное издательство физико-математической литературы, 1962

40. Internet http// www. mpeg org

41. Дворкович А. В., Дворкович В П, Зубарев Ю Б., Мохин Г. Н. и др, под ред. Зубарева 10. Б и Дворковича В И "Цифровая обработка телевизионных и компьютерных изображений" -М • 1997 т.

42. Recommendation of international organization for standardization, Coding of moving pictures and associated audio, ISO/IbC JTC1/SC29/WG11 N0701, ISO/IFC 13818-1, MPEG94/, March 1994

43. MPEG-2 Стандарты ISO/IC 13818 разделы 1, 2 и 3 Coding of moving pictures andassociated audio Разделы 1 systems, 2 - Video, 3 - Audio

44. J Wiseman "An Introduction to MPEG Video Compression", Internet.

45. W Lee "MPFG Compression Algorithm", Internet

46. L Chiariglione "A guided tour to MPEG-1 and MPEG-2", Internet.

47. L Joan "MPLG Video Compression Standard", Mitchell, Didier Le Gall and Chad Fogg, Chapman & Hall, 1996

48. T. Sikora, "MPEG-1 and MPEG-2 Digital Video Coding Standards", Internet.

49. T Sikora, "MPFG Moving Picture Experts Group ", Internet.

50. Б П Хромой, В H Безруков, В Г. Балобанов К расчету фазовых и временных характеристик линейных телевизионных устройств минимальной фазы «Радиотехника», Том 25, 1970 г, № 2, с. II-I7.

51. В Н. Безруков, В Г. Балобанов. Б П Хромой К расчету фазовых и амплитудно-частотных харак1еристик анергурных корректоров и видеоусилителей «Электоросвязь», 1971 г,№3,с 67-70

52. Л.А. Севальнев Интерфейсы в системах ТВ вещания с информационным сжатием данных. «Телеспутник», 2000 г, № 2, с. 70-74

53. JI А. Севальнев. Передача цифровых телевизионных программ с информационным сжагием по спутниковым каналам связи «Телеспутник», 1997 г , №7, с 64-69

54. Л А Севальнев Передача сигналов цифрового телевидения с информационным сжагием данных но кабельным линиям связи «Телеспутник», 1998 г, №1, с 72 76

55. Л А. Севальнев Эфирное вещание цифровых ТВ-программ со сжатием данных «Телеспутник», 1998 г., №10

56. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы. Справочник Под ред С В Якубовско1 о. М Радио и связь, 1989, стр 373

57. DVB-S Стандарт ETS 300421. Digital broadcasting systems for television, sound and data services Framing structure, channel coding and modulatin for 11/12 Ghz satellite services

58. DVB-C. Стандарт ETS 300429. Digital broadcasting systems for televi-sion, sound and data services Framing structure, channel coding and modulatin for cable systems

59. DVB-T Проект стандарт. PR ETS 300744. Digital broadcasting systems for television, sound and data services Framing structure, channel coding and modulatin for digitalterrestrial television

60. Некрасов ПЛ. «Исследование и разработка методов и устройства внутрикадрового сжатия изображений» Авгореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, Москва, 2001 г.

61. Бронштейн И Н., Семендяев К А Справочник по математике Для инженеров и учащихся ВТУЗОВ. М, I осударсгвенное издательство 1ехнико-теоретической литературы, 1955

62. Wu Y , Gulliet М, Ledoux В , and Caron В , Result of laboratory and field tests of a COFDM modem for ATV transmission over 6 MHz Channels SMPTE Journal, February. 1998, Vol. 107

63. Husak W, etal. On-channel repeater for digital television implementetion and field testing. Proceedings 1999 Broadcast Engineering Conference, NAB'99, Las Vegas 1999. April 17-22.

64. ITU-T, Video coding for low bitrate communication, ITU-T Recommendation II 263, version 1, Nov 1998

65. Левин Б P Теоретические основы сттистическои радиоicxhhkh , i 1,т 2, i 3 -М Сов Радио, 1974, 1975, 1976

66. Кокрен и др , Чю такое быстрое преобразование Фурье7 ТИИЭР, 1967 т 55 №10

67. R L Lagendijk, Low bit rate video coding for mobile multimedia communications, Proceedings of the EUS1PCO, vol 1,1996.

68. F W. Meier, An efficient shape coding scheme using В spline which is optimal in the rate-distortion sense, Master's thesis, June 1997

69. L. P. Kondui, Joint optimal object shape estimation and encoding, in Proceedings of the conference on visual Communications and Image Processing, Jan 1998

70. Ohm J Advances in scalable video coding // Proc of the IFFF, vol 93, no 1, 2005

71. Рабинович A.B Кодирование изображений с применением вейвлет-преобраювания //Труды НИИР, 2003.

72. Цифровое кодирование телевизионных изображений / Под ред И И. Цуккермана М : Радио и связь, 1981

73. Воробьев В.И , Грибунин В Г Теория и практика вейвлет преобразования - С -Петербур! ВУС, 1999

74. Usevitch В A tutorial on modern lossy wavelet image compression' foundations of JPEG 2000 // IEEE signal processing magazine, 2001.

75. Lightstone M., Majani E , Mitra S. Low bit-rate design considerations for wavelet-based image coding // Multidimensional systems and signal processing, 8(1-2), 1997.

76. Strang G., Nguyen T. Wavelets and Filter Banks. Wellesley-Cambridge

77. Press, Wellesley MA, first edition, 1996

78. Xuguang Y Ramchandran К Scalable wavelet video coding using aliasing-reduced hierarchical motion compensation //IEEE Transactions on image processing, vol 9, 2000

79. Van der Auwera G , Munteanu A , Lafruit G., Cornells J Video Coding Based on Motion Estimation in the Wavelet Detail Images Proceedings of the IFFE International conference on acoustics, speech, and signal processing (ICASSP), Seattle, May 1998

80. Cafforio C., Guaragnella C. and Picco R // Motion compensation and multiresolution coding Signal Proc. Image Communication, 6,1994.

81. Dufaux P., Moccagatta I. and Kunt M. Motion-compensated generic coding of video based on a multiresolution data structure // Optical engineering, 32(7), 1993

82. Zhang Y.-Q , Zafar S. Motion-Compensated Wavelet Transform Coding for Color Video Compression // IEEE Trans on circ. and syst video techn., 2(3), 1992.

83. Van der Auwera G , Lafruit G , Cornells J Arithmetic complexity of motion estimation algorithms // Proceedings of the IFFF Benelux signal processing symposium, Leuven, Belgium, March 1998

84. Mandal M K., Chan E , Wong X , Panchanathalu S. Multiresolution motion estimation techniques for video compression // Opt Eng., 35, 1996

85. Kruger S A., Calway A. D A multiresolution frequency domain method for estimating affine motion parameters // Proceedings IEEE international conference on image processing, vol. I, Lausanne, Switzerland, Sep 1996.

86. Kruger S A., Calway A D , Tweed D. S Motion estimation using adaptive correlation and local directional smoothing // Proceedings of the IEEE conference on image processing, Chicago, 1998

87. Erol B , Kossentini F, Alnuweiri H Efficient coding and mapping algorithms for software-only real-time video coding at low bit rates // IEFF Transactions on circuits and systems for video technology, 10 (6), 2000

88. Jung S., Shin S , Baik H , Park M. Nobel successive elimination algorithms for the estimation of motion vectors // IEEE International symposium on multimedia software engineering, lamkang University, Taipei, Taiwan, 2000.

89. Kim J., Choi T. Adaptive matching scan algorithm based on gradient magnitude for fast full search in motion estimation // IEEF I ransactions on consumer electronics, 45 (3), 1999.

90. Kim J, Choi T. A fast full-search motion-estimation algorithm using representative pixels and adaptive matching scan // IEEF Transactions on circuits and systems for video technology, 10 (7), 2000

91. Jung S., Shin S., Baik H , Park M Nobel successive elimination algorithms for the estimation of motion vectors // IEEE International symposium on multimedia software engineering, Tamkang University, Taipei, Taiwan, 2000.

92. Kim J, Ahn B Lossless computational reduction of full search algorithm in motion estimation using appropriate matching unit from image localization // IFFE1.ternational conference on information technology Coding and computing, Las Vegas, USA, 2001

93. Wang H , Mersereau R. Fast algorithms for the estimation of motion vectors // IEEE Transactions on image processing, 8(3), 1999

94. Math Works MAI LAB Product Help Version 6 5 0 180913a Release 13 7 he language of Technical Computing The Math Works, Inc , 2002

95. Комаров П К) Ланчиков П Н. Особенности передачи информации в системе DVB-T Труды Московского технического университета связи и информатики г Москва 2004 год.

96. Комаров ПЮ Способ коррекции и антишумовой обработки в системах телевидения. Труды Московского технического университета связи и информатики, г. Москва 2006 год.

97. ВН Безруков, ИЛ Кардонская, П.Ю Комаров, Ал горитм оценки текущею состояния амплитудно-частотной характеристики сквозного радиоканала Депонировано в ЦНТИ "Информсвязь" Сб № 2275 св 2006 от 26.05 2006г., стр 214.

98. Комаров И 10, Многолучевой прием в DVB-T. Депонировано в ЦН1И "Информсвязь" Сб. № 2275 св 2006 от 26 05.2006г, cip. 15-24

99. Комаров П Ю, Линейные искажения в системах телевидения Депонировано в ЦНГИ "Информсвязь" Сб № 2275 св. 2006 от 26 05 2006г, стр 2540