автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Разработка методов оценки параметров телевизионных устройств с использованием эффекта муара

На правах рукописи

Белозерцев Александр Витальевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ОЦЕНКИ ПАРАМЕТРОВ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ УСТРОЙСТВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭФФЕКТА МУАРА

Специальность: 05.12.04 - Радиотехника, в том числе системы и устройства

радионавигации, радиолокации и телевидения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2003

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина)

Научный руководитель - Заслуженный деятель науки и техники РФ,

доктор технических наук, профессор Быков Р. Е.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Грязин Г. Н. кандидат технических наук, доцент Соколов В. К.

Ведущая организация - ФГУП «Научно-исследовательский институт телевидения»

Защита состоится " /6 " ¿з^Л^у-, 2003 г. в часов на заседании диссертационного совета Д 212.238.03 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Автореферат разослан " С.СМтя'ЪрУ 2003 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Баруздин С. А.

|

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Совершенствование способов телевизионной передачи изображений, широкое применение методов цифровой обработки сигналов, появление систем цифрового телевидения привело к существенному повышению требований к качеству передачи. Геометрическое подобие передаваемого изображения оригиналу является одним из важнейших параметров, определяющих качество воспроизводимых изображений в ТВ системах визуального отображения и правильную интерпретацию данных в системах технического зрения. В идеальном случае преобразования исходного изображения сводятся к изменению его масштаба, однако в реальных ТВ системах воздействие ряда искажающих факторов приводит к нарушению подобия координатного пространства входного сигнала и эквивалентного пространства изображений.

Существующие методы контроля параметров ТВ устройств и изображений не всегда удовлетворяют требованиям, предъявляемым в настоящее время к метрологическому обеспечению процессов производства, сертификации и эксплуатации ТВ техники. Можно указать немало задач, для которых требуется существенно более высокая эффективность оценки координатных искажений, вносимых ТВ системой: для измерения и контроля параметров устройств телевидения повышенного качества и высокой четкости; для компенсации систематической погрешности в ТВ измерительных системах, где извлечение информации об объектах исследования осуществляется путем анализа пространственной структуры изображения; для построения высококачественных устройств ввода-вывода изображений и т.д. Возникает необходимость усовершенствования существующих и создания новых методов с целью повышения их точности, чувствительности и разрешающей способности, снижения трудоемкости, возможносги автоматизации процессов измерения, обработки и отображения результатов. Эффективное решение этих задач и существенное расширение возможностей ТВ метрики обеспечивает использование эффекта муара в измерительных целях.

Другой важной характеристикой ТВ изображений является достоверность передачи информации о цвете. При подготовке полиграфической продукции к печати, создании мультимедийных продуктов, телевизионной медицинской диагностике точность цветопередачи имеет первостепенное значение. В настоящее время наиболее высококачественными устройствами воспроизведения цветных изображений остаются электронно-лучевые трубки с дискретными многоцветными люминофорными покрытиями экранов (масочные кинескопы). Получение высокой колориметрической верности воспроизведения возможно только при точном соответствии характеристик цветовой системы видеомонитора принятому способу кодирования информации о цвете. Колориметрические методы позволяют оценить цветность свечения экрана с достаточной точностью, однако тробуют специального оборудования, трудоемки, а для получения карт! по полю эк-

С.Пемрбург / | 09 100¿**УРН\

рана требуется несколько измерений. Поэтому разработка метода, позволяющего осуществить одновременную и независимую оценку чистоты основных цветов в различных зонах экрана без проведения колориметрических измерений, представляется актуальной задачей. Исследование периодической структуры экрана и оценка чистоты основных цветов кинескопа также могут быть эффективно осуществлены с использованием эффекта муара.

Эффект муара возникает при наложении периодических' структур с ма- ^

лым различием шагов. В основе использования эффекта муара как средства наблюдений лежит его свойство отображать с увеличением мелкую структу- (

ру естественных и искусственных решеток, что позволяет согласовать разрешающую способность зрительной системы человека или инструмента, заменяющего ее при наблюдении посторонних узоров, с соответствующей микроструктурой объектов. Данное явление используют в растровой микроскопии для обнаружения дислокаций в кристаллических структурах, для контроля изделий микроэлектроники, в биомедицинских исследованиях, в экспериментальной механике для точного измерения линейных и угловых перемещений, механических деформаций и напряжений в деталях и узлах различных конструкций, при определении формы трехмерных тел и топографических исследованиях рельефа поверхностей и т.д. Большие потенциальные возможности муаровых методов позволяют предположить, что их применение для оценки параметров ТВ устройств, связанных с имеющимися в них периодическими структурами, приведет к существенному росту эффективности решения этих задач в плане повышения точности и информационной производительности, возможности автоматизации измерений. Однако анализ литературных данных показал, что вопросы применения эффекта муара в ТВ метрике к настоящему времени изучены недостаточно полно и отражены в работах, относящихся в основном к 50-м ...70-м гг. XXв. Результаты существующих исследований могут быгь расширены и модифицированы применительно к современным потребностям ТВ техники.

Целью диссертационной работы является разработка и исследование методов, обеспечивающих повышение эффективности оценки параметров и характеристик ТВ устройств и изображений на основе использования эффекта муара. Для достижения поставленной цели в диссертационной работе поставлены и решены следующие задачи. 1

1. Анализ механизмов возникновения, свойств и проявлений муарового эффекта в ТВ системе. ,

2. Систематизация и сравнительный анализ существующих муаровых методов ТВ измерений.

3. Разработка метода визуальной оценки масштабных искажений по полю изображения, включающая следующие этапы: разработку тестовых структур и математическое описание процессов формирования посторонних узоров; синтез испытательной таблицы; разработку методики измерений.

4. Разработка метода .автоматизированной оценки координатных искажений в ТВ системе, включающая следующие этапы: выбор тестовых струк-

тур и интерпретацию муаровых картин; определение модели сигнала муарового изображения в условиях воздействия реальных шумов и искажений; синтез и исследование алгоритма машинной обработки регистрируемых муаровых изображений.

5. Разработка метода оценки искажений цветовоспроизведения в приемных устройствах с дискретными экранами, включающая следующие этапы: анализ причин и характера нарушений чистоты основных цветов в масочных кинескопах и определение вызываемых ими искажений; формулировка принципа пространственного стробирования и математический анализ процессов формирования муаровых картин; разработку методики измерений.

6. Анализ факторов, влияющих на точность разработанных методов, и оценка погрешностей результатов измерений.

7. Экспериментальные исследования и подтверждение полученных результатов.

Основные методы исследования. Теоретическая часть работы базируется на положениях теории сигналов, спектрального анализа и основных положениях колориметрии. Экспериментальные исследования проведены на реальных ТВ устройствах с использованием разработанных испытательных изображений, а также путем имитационного моделирования процедур обработки муаровых изображений на ЭВМ.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем.

1. Показано, что для визуальной оценки относительного масштаба на участках изображения целесообразно использовать тестовые структуры с переменным шагом штрихов. Метод сочетает удобство использования гиперболических муаровых полос и оперативность визуального отсчета значений масштаба но градуированным шкалам, нанесенным на тестовые фрагменты. Предложены и разработаны принцип компоновки испытательной таблицы и методика измерений.

2. Разработан метод автоматизированной оценки координатных искажений в ТВ системе, предполагающий фотоэлектрическое преобразование и обработку муаровых картин на ЭВМ. В соответствии с выбранной структурой тестовых изображений предложены способ интерпретации муаровых картин и методика измерений.

3. Разработана процедура алгоритмической обработки муаровых картин и оценки непрерывной функции распределения координатных ошибок по полю изображения, в основе которой лежит восстановление фазы комплексного аналитического сигнала, соответствующего регистрируемому сигналу муарового изображения. Разработаны методики и программы для моделирования и исследования характеристик процедуры автоматизированной обработки муаровых изображений на ЭВМ.

4. Предложен и разработан пространственно-стробоскопический метод оценки чистоты основных цветов трехлучевых масочных кинескопов, основанный на транспонировании высокочастотного спектра структуры многоцветных экранов в низкочастотную область. Установлена взаимосвязь цвето-

вого охвата воспроизводящего устройства со светотехническими характеристиками люминофоров и структурой их возбуждения электронными пучками. Показана возможность оценки координат цветности основного цвета, анализируя геометрические параметры цветной муаровой картины. Определены пути автоматизации измерений.

5. Определены критерии выбора и выбраны номинальные значения геометрических параметров цветной муаровой картины и соответствующий им шаг окон прозрачности стробирующего трафарета. Установлена взаимосвязь фотометрических параметров свечения экрана, скважности трафарета и параметров, характеризующих режим работы ТВ датчика при фотоэлектрическом анализе муаровой картины.

6. Произведены анализ источников и оценка погрешностей разработанных методов.

Практическая ценность работы. Значение результатов диссертационной работы для практики заключается в следующем.

1. Разработанные методы муаровой оценки масштабных и координатных искажений изображения, а также чистоты основных цветов воспроизводящих устройств позволяют повысить точность и информационную производительность измерений, исключить субъективную погрешность оператора, в результате чего повышаются эксплуатационно-технические характеристики контролируемой аппаратуры.

2. Полученные теоретические результаты позволяют осуществить синтез структуры и выбрать параметры измерительно-вычислительной системы, изготовить оптические тест-таблицы и реализовать алгоритмы обработки измерительной информации.

3. На основе созданного научно-методического аппарата разработано программное обеспечение для моделирования и исследования характеристик предложенных методов с использованием современных вычислительных средств.

4. Разработанные принципы измерений, методики и алгоритмы могут быть эффективно внедрены в состав автоматизированных измерительно-вычислительных комплексов, предназначенных для измерений и технологического контроля в процессах производства, сертификации и эксплуатации ТВ устройств вещательного и прикладного назначения. Способы получения и алгоритмической обработки муаровых картин могут быть использованы для экспериментальной оценки механических деформаций и напряжений в деталях и узлах различных конструкций.

Результаты диссертационной работы использованы при выполнении хоздоговорной научно-исследовательской работы Т-142 по разработке интегрированных телевизионных систем безопасности, проводимой кафедрой Телевидения и видеотехники СПбГЭТУ «ЛЭТИ» совместно с группой компаний «Иста», что подтверждено соответствующим актом внедрения. Результаты работы использованы при выполнении научно-исследовательской работы

по гранту СПбГЭТУ «ЛЭТИ» для аспирантов и докторантов (2000 г.), а также внедрены в учебный процесс.

На защиту выносятся следующие основные положения.

1. Существующие методы оценки искажений геометрии ТВ изображения не всегда удовлетворяют требованиям современной ТВ метрики. Дальнейшее повышение точности и информационной производительности, возможность автоматизации методов оценки параметров и характеристик ТВ устройств и изображений, связанных с имеющимися в них периодическими сгруктурами, достигается при использовании эффекта муара.

2. Метод визуальной оценки масштабных искажений на участках изображения, реализующий принцип отсчетного устройства с градуированными шкалами.

3.Метод автоматизированной оценки распределения координатных ошибок по полю изображения с обработкой муаровых картин на ЭВМ.

4. Способ интерпретации картин муара и последовательность операций при машинной обработке регистрируемых муаровых изображений.

5. Метод оперативного выявления и оценки нарушений чистоты основных цветов устройств воспроизведения изображений, основанный на пространственном стробировании периодической структуры многоцветных экранов.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях.

• 51-я, 52-я, 53-я, 54-я научно-технические конференции профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ «ЛЭТИ»: Санкт-Петербург, 1998 -2001 г.г.

• 52-я, 53-я, 54-я, 55-я, 57-я научно-технические конференции СПбНТОРЭС им. А. С.Попова: Санкт-Петербург, апрель 1997 г., апрель 1998 г., апрель 1999 г., апрель 2000 г., апрель 2002 г.

• Молодежная научная школа «Радиоэлектроника и САПР радиоэлектронных устройств и систем»: Санкт-Петербург, 17-19 ноября 1998 г.

• 2-я и 3-я международные конференции «Телевидение: передача и обработка изображений»: Санкт-Петербург, 21-22 мая 2002 г. и 5-6 июня 2003 г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 научных работ, в том числе 2 статьи, 2 публикации в сборниках материалов международных научно-технических конференций и тезисы к 5-и докладам на региональных научно-технических конференциях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 135 наименований, и трех приложений. Основная часть работы изложена на 115 страницах машинописного текста и содержит 56 рисунков, 2 таблицы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследований, сформулированы цель и задачи работы, изложены научная новизна и практическая значимость

полученных результатов, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе диссертационной работы рассмотрен механизм взаимодействия растровых структур, проанализированы возможности возникновения и проявлений муарового эффекта в ТВ системе, дана характеристика искажений, возникающих в результате дискретного разложения изображений при ТВ передаче.

Эффект геометрического муара наблюдается при совмещении периодических структур с близкими пространственными частотами. Наложение двухмерных растровых структур можно представить как операцию пространственной дискретизации, при которой исходное изображение стробируется элементами второй структуры. Если интервалы дискретизации Х2, У2 в направлениях координатных осей х и у мало отличаются от периодов самого изображения X,, У, (или от кратных им значений рХх, гУх), то в составе результирующего изображения возникают крупноструктурные посторонние узоры, которые можно рассматривать как результат пространственных биений между совмещаемыми структурами. В составе полного пространственного спектра результата наложения присутс твую г компоненты на комбинационных частотах (частотах муара) о)нх = \<о{х - ра2х\< а)2х12,

=|®1, - га2У\ - а>2у/2, где со1х = 2ж/Хх, = 2/г/У, - частоты исходного периодического изображения; со2х = 1л(Хг, со1у = 2п\Уг - частоты дис-кретизирующей структуры. Выполнение двухмерной восстанавливающей фильтрации, ограничивающей спектр изображения на пространственных частотах й}2х/2^ со2х ¡2 , позволяет выделить низкочастотную муаровую компоненту, представляющую собой растянутую в направлениях дискретизации копию исходного изображения с периодами Хы = 2л/сомх = Х^Х2/\Х2 - рХ]|,

Исследованию механизма взаимодействия периодических структур на передающей и на приемной стороне ТВ системы, условий возникновения эффекта муара, анализу характера и оценке вызываемых им искажений изображения и способам повышения качества ТВ передачи посвящено значительное число работ отечественных и зарубежных авторов. В главе рассмотрены известные из литературных источников сведения, относящиеся к данным вопросам. Спектр передаваемых сюжетных или тестовых изображений может содержать компоненты на частотах выше (02/2, что приводит к невыполнению условия теоремы отсчетов при дискретизации разлагающим растром, перекрытию мультиплицированных спектров и возникновению специфических искажений. Наиболее критичными к возникновению искажений являются высокочастотные периодические структуры. В составе видеосигнала присутствуют комбинационные частоты, воспроизводимые на приемном

экране в виде посторонних узоров (муара), маскирующих исходное изображение.

Формирование посторонних узоров в приемных устройствах носит более сложный характер, поскольку в образовании муара одновременно могут участвовать несколько структур: синтезирующий растр, решетчатая структура цветоделительной маски и периодическая структура воспроизводимого сигнала, заключенная в модуляции тока пучков. Экспериментальные исследования, проведенные рядом авторов, показали, что визуальная заметность посторонних узоров на экране определяется в основном значениями их относительного контраста и пространственного периода.

Существенно менее проработанными являются вопросы применения эффекта муара для оценки параметров и характеристик, связанных с дискретным характером разложения изображений в ТВ системе и определяемых по пространственной конфигурации и расположению посторонних узоров на изображении. Разработке и исследованию двух методов оценки искажений геометрии изображения, основанных на интерференции структур оптических тестовых изображений со структурой разлагающего или синтезирующего растра и различающихся способами анализа муаровых картин, посвящена вторая глава диссертационной работы. Первый метод предназначен для визуального наблюдения посторонних узоров на приемном экране, а второй метод предполагает автоматизированную обработку муаровых изображений на ЭВМ. Муаровые полосы являются геометрическим местом точек пересечения линий исходных структур, что позволяет использовать в работе для математического анализа структуры муаровых картин параметрический подход, основанный на взаимосвязи порядка муаровой полосы т„ с номерами штрихов тестовой решетки /т и линий ТВ растра 1р:

Первый разработанный метод предназначен для визуальной оценки масштабных искажений на участках изображения и сочетает удобство использования гиперболических муаровых картин и оперативность визуального отсчета относительных значений масштаба по шкалам. Характеристикой масштабных искажений по горизонтали и по вертикали в произвольной точке изображения являются относительные значения масштаба в данной точке, которые можно представить в виде относительных приращений соответствующих координат:

Ит Мы) , ¿А*,У) Му(х>У)_ Цт Ау{х,у) Зу{х,у) Мпх Лг„ ~ Знх ' Мпу *.-<> дун ~ £н>, '

где Мпх, Л/1М , М,(х,у), М}{х,у) - масштаб изображения при отсутствии (номинальный) и наличии искажений соответственно; Дхн, Ау„, &х{х,у), Ду{х,у) - приращения координат х и у при отсутствии и наличии искажений; дях, 8иу, 5х{х,у), 8у(х,у) - малые конечные интервалы, которыми могут

быть межстрочные интервалы ТВ растра, осуществляющего разложение изображения, и достаточно малые шаги элементов самого изображения.

В качестве тестовых структур предложено использовать линейные решетки в виде семейства радиально-центральных чередующихся темных и светлых штрихов, удовлетворяющих уравнению у = 118^у{х) = 1^Х%<р^х, где 8ry(x)=tg<p¡ х-ср^х - шаг штрихов в направлении оси у в текущем вертикальном сечении решетки; <рх - угол наклона к оси х штриха с номером /т = 1 (рис. 1, а). При совмещении такой решетки с линейчатым растром у = 1р8р, где <5р - шаг линий растра, возникает симметричная муаровая картина, дорожки которой имеют форму гипербол и удовлетворяют следующему параметрическому уравнению:

3АУ(Х) ... *

У = ти

■т,

М о

8 -<рхх

Центральная полоса является осью симметрии и асимптотой семейства гипербол и соединяет все точки, в которых шаги исходных структур в направ-

лении перпендикуляра к линеичатому растру, равны:

5ту{х,у)=8р(х,у)

(рис. 1, б). Соотношение шагов линий растра и штрихов тестовой структуры, характеризующее относительное значение масштаба на исследуемом участке изображения, определяется по положению центральной дорожки относительно градуированной шкалы, нанесенной непосредственно на тестовый фрагмент и воспроизводимой вместе с картиной муара на приемном экране.

Предложенный принцип компоновки испытательной таблицы позволяет получить ряд муаровых картин на локальных участках изображения и оперативно выявить и оценить распределение искажений по полю растра. Масштабирование оптической проекции таблицы при вписывании в растр удобно осуществлять по картине посторонних узоров на изображении центральных тестовых фрагментов, тогда положения муаровых дорожек на изображениях других фрагментов характеризуют масштабные искажения относительно центральной зоны.

Точность метода определяется в основном субъективной погрешностью визуального отсчета значений масштаба по шкалам. При цене деления шкалы

ДМ/Мн = 0.025 приведенная погрешность измерений составляет 0.7 %, что в 15 ... 20 раз выше точности измерения искажений по изображению сетчатого поля, рекомендуемых ГОСТами 19871-83, 9021-88 и 19785-88. Реализуемый принцип отсчетного устройства позволяет исключить влияние собственных искажений видеомонитора, зависимость погрешности от значений измеряемых искажений, а также обеспечивает возможность дальнейшего повышения * разрешающей способности и точности измерений при уменьшении цены де-

ления шкалы.

{ При формировании и обработке ТВ изображений в ряде случаев необхо-

дима информация об искажениях координат эквивалентного пространства изображений относительно исходного пространства объектов. Второй метод позволяет получить оценку непрерывного распределения координатных ошибок по полю изображения с использованием фотоэлектрического преобразования интенсивности муаровой картины и обработки регистрируемых изображений на ЭВМ. Представлены структурные схемы измерительно-вычислительных систем и последовательность операций, реализующая предложенный метод.

В качестве тестовых структур целесообразно использовать двухградаци-онные линейные решетки с постоянным шагом штрихов. Такие струиуры подобны ТВ растру и при параллельном наложении обеспечивают постоянный по полю коэффициент отображения. Картину полос удобно интерпретировать как семейство линий постоянных значений функции разности пространственных фаз совмещаемых решеток возникающей в результате их относительной деформации. При таком подходе компонента линейного перемещения Аи(х,у), ортогональная линиям решеток и отсчитываемая от выбранного начала координат, связана в каждой точке с данной функцией следующим образом:

Аи{х,у) — тм{х,у)б - §

2 к

где Аи(х,у)- Ах(х,у) или Аи(х,у)-Ау(х,у) в зависимости от исходной ориентации решеток; тм{х,у) - порядок полосы (в общем случае может быть дробным); 3 = 8Т = <5Р - шаг решеток до деформации; ф{х,у) — 2лты{х,у) - полный фазовый набег между структурами решеток.

Показана целесообразность введения начальной разницы шагов тестовой структуры и растра при измерении малых координатных ошибок, которые в реальных системах являются гладкими медленно изменяющимися функциями координат. В этом случае муаровая картина приобретает пространственную несущую с некоторой частотой озн (для определенности в направлении оси х), а в составе фазовой функции присутствуют линейные компоненты, соответствующие несущей частоте:

ф(х,у) = тх(*,у)х + соу(х,у)у = <аы х + в(х,у), (1)

где б{х,у) - отклонения фазы, содержащие информацию о предмете исследования. В отсутствие искажений наблюдается ненулевая муаровая картина в виде семейства эквидистантных полос, ориентированных параллельно линиям исходных решеток (ортогонально направлению измерений) и следующих

с периодом Хк = 2я/®м = <5р<5т/|<5р -<5Т| , определяемым соотношением шагов исходных структур (рис. 2, а). Искажения исходных структур сопровождаются отклонением полос от номинальных положений (рис. 2, б), однако при малых искажениях фазовая функция (1) сохраняет монотонность в направлении пространственной несущей, что позволяет осуществлять одномерную обработку муаровых картин по ряду фотометрических сечений, ортогональных ориентации полос.

Поскольку параметры начальной картины (шаг полос) в реальном случае априорно неизвестны с достаточной точностью, теоретический учет и компенсация линейной компоненты в (1) затруднен. Компенсация фиктивного фазового набега Фм(д:,у)=б;м д:, обусловленного исходным различием структур растра и тестового изображения, производится на основании оценки скорости фазового набега в облает геометрического центра изображения, где координатные искажения минимальны:

ФоМ^М-Ф-М,

дф(х,у)/дх Х,0х_ Данная процедура

_ у=о

обеспечивает инвариантность результатов измерений к остаточным погрешностям установки тестового изображения.

Для получения непрерывной оценки Ф(х, у) функции распределения фаз предложено воспользоваться известным методом прямой демодуляции муа-рограммы, позволяющим эффективно использовать свойства сигналов на основе хорошо разработанного математического аппарата преобразования Фурье и характеризующимся малой чувствительностью к аддитивным и муль-

где Фм (х,у) = ®мх<*о>х(х,у]ы>х =

у~0

и

типликативным помехам, а также к виду распределения интенсивности полос. В основе метода лежит восстановление аргумента комплексного аналитического сигнала 5с,(д:) + у соответствующего регистрируемой реализации интерференционного сигнала в текущем фотометрическом скане У = У, =1&У:

л. I \ ! \ \mzAx) ^А*)

ке т.^ ^ у

где = 5т;(х) соз[ф,(х)] - информативная составляющая сигнала;

= - квадратурная компонента; #{•} обо-

значает оператор преобразования Гильберта. Восстановление комплексного массива г, (х) осуществляется с использованием известного свойства спектра аналитического сигнала через обратное преобразование Фурье удвоенной спектральной компоненты первого порядка:

г, (*) - - (©„ - а)м )ехр[](0хх} йсох. (2)

®пф 1

где ¿и„ф1, ®|1ф 2 - частоты среза АЧХ полосового фильтра. Для безошибочного восстановления аналитического сигнала (2) спектральные компоненты различных порядков не должны перекрываться, что достигается соответствующим выбором частоты си„ (номинального числа полос на изображении).

Развертка фазовой функции (восстановление непрерывного изменения фазы) осуществляется методом поправочного коэффициента, заключающемся в сравнении скачков фазы между каждой парой соседних точек с заданным уровнем порога и добавлении к главному значению фазовой функции поправки, кратной 2к.

В третьей главе диссертационной работы представлен пространственно-стробоскопический метод исследования структуры возбуждения люминофоров на экране масочного кинескопа, позволяющий выявить и оценить нарушения чистоты основных цветов устройств воспроизведения изображений с дискретными многоцветными экранами.

При включении одного из электронных прожекторов (два других выключены) на экране трехлучевого масочного кинескопа воспроизводится цветоделенное изображение, цветность которого является цветностью основного цвета системы цветовоспроизведения данного кинескопа. Если пучок возбуждает только предназначенный ему люминофор, не засвечивая другие люминофоры, то цветность основного цвета соответствует цветности свечения данного люминофора. Нарушение цветоделения сопровождается смещением электронного пятна на соседние люминофоры, и основной цвет является результатом пространственного смешения цветов свечения нескольких (двух или трех) люминофоров, что приводит к уменьшению цветового охвата

воспроизводящего устройства. Получена формула для расчета координат цветности основного цвета, которые определяются вкладом излучения каждого люминофора в общий световой поток от экрана:

_Ух ^ у2 ?х .Уз .. Ух Лх У 2 Чх А Уз 011 (3)

Ух РхУ2 РХ Уз Ух Пх У2 Ч\ ^ Уз где = хш или = уоа или и>пц = гт - координаты цветности основного цвета в колориметрической системе ХУЪ МКО-1931; Т7,, Ръ - световые потоки излучения люминофоров 1 (соответствующего включенному пучку), 2 и 3 (посторонних для данного пучка) с локального участка экрана, в пределах которого нарушение чистоты основного цвета можно считать однородным; ^¡¡Р, ~ '/А/7?^ , г,у = 1, 2, 3; 5Ь ^з - площади возбужденных участков люминофорных элементов; ы, =х1 или ух>1 = у1 или мм = =Хг или -№2 =уг или У1>2 = 2г, юз = х3 или wз =у3 или и'з = г-! - координагы цветностей свечения люминофоров 1, 2 и 3; г/2, щ- относительные светоотдачи люминофоров 1, 2 и 3. Полученные зависимости показывают, что при малых нарушениях чистоты цвета, которые обычно имеют место на практике, цветовой охват наиболее чувствителен к смещению пучка «Л» на люминофор «б».

Из-за малых размеров отдельных люминофорных элементов и ограниченной разрешающей способности приемников излучения непосредственное наблюдение структуры возбуждения люминофоров и оценка площадей 52, входящих в (3), затруднены. Для облегчения условий наблюдения предлагается произвести транспонирование относительно высокочастотного пространственного спектра структуры экрана в низкочастотную область. В основе метода лежит принцип оптического пространственного стробирования структуры экрана с интервалом 8Т, близким к шагу одноцветных люминофорных элементов ¿>л (или к кратному значению р8я). В качестве двухмерной стробируютцей структуры используется трафарет-маска с периодически расположенными окнами прозрачности. Транспонированным компонентам спектра соответствует крупноструктурная цветная муаровая картина, геометрическая структура которой копирует структуру люминофорного покрытия экрана с заданным коэффициентом увеличения М„, определяемым соотношением шагов экрана и трафарета 8Т:

М =Ь. = .

5Я *Т-р5/

Появление в составе муаровой картины фрагментов цвета свечения посторонних люминофоров свидетельствует о нарушении чистоты основного цвета, соответствующего включенному пучку, поэтому даже беглый визуальный осмотр картины муара дает представление о характере нарушений и их распределении по экрану.

Геометрическое подобие муаровой картины структуре люминофорного покрытия позволяет производить косвенное исследование структуры возбуждения люминофоров и оценку цветности основного цвета, заменяя отношения площадей возбужденных участков отдельных люминофорных элементов в выражении (3) отношениями площадей фрагментов муаро-

вой картины, образованных свечением люминофоров основного и посторонних цветов. Автоматизация измерений основана на оптическом цветоделении исходной картины муара с помощью набора сменяемых светофильтров, соответствующих цветам свечения люминофоров, фотоэлектрическом преобразовании последовательности цветоделенных изображений с использованием черно-белого ТВ датчика и последующей машинной обработке.

Выбор значения интервала пространственного стробирования ¿>т производится исходя из требуемого числа муаровых полос , укладывающихся на ширине экрана В: <5Т/<5Л = В/(В ± А^М<5Л). Получены выражения для расчета параметров стробирующего трафарета, обеспечивающих получение требуемых характеристик фотоэлектрической измерительной системы. Зависимос1ь времени накопления, необходимого для получения заданного отношения сигнал/шум на выходе ТВ дашика, от скважности стробирующего трафарета показывает, что даже при высоких значениях скважности для фотоэлектрического преобразования муаровой картины возможно использование серийных ТВ датчиков на ПЗС, работающих в стандартном режиме разложения.

В заключительной части главы рассмотрены характеристики точности, обусловленные погрешностями оценки площадей 5М, при пространственной дискретизации муаровых изображений в анализирующем ТВ датчике.

В четвертой главе содержатся результаты экспериментальных исследований, подтверждающих и дополняющих теоретическую часть работы.

В ходе эксперимента осуществлялось исследование характеристик как передающих, так и приемных устройств. Искажения геометрии изображения моделировались на экране компьютерного монитора изменением его растровых настроек. Установлено, что использование тестовых структур с переменным шагом штрихов и нанесенными на них отсчетными шкалами позволяет оперативно выявить и оценить распределение по полю растра любых искажений, сопровождающихся изменением интервала между линиями оптического изображения или растра. При этом наблюдается отличие масштаба от номинального значения или различие значений на разных участках изображения. Представлены результаты оценки масштабных искажений ряда воспроизводящих устройств.

Экспериментальные исследования метода автоматизированной оценки координатных искажений включали получение, ввод и машинную обработку реальных муаровых картин, а также моделирование процедур алгоритмической обработки тестовых муаровых изображений на ЭВМ в интегрированной математической среде МАТЬАВ 5.3. Тестовые муарограммы с варьируемыми

параметрами, подобные изображенным на рис. 2, были синтезированы в соответствии с принятой моделью сигнала. В изображение добавлялся калиброванный аддитивный гауссовский шум, имитирующий флуктуационный шум фотоэлектрического преобразования. В соответствии с предложенным алгоритмом производилась одномерная обработка каждого ряда элементов изображения, которые можно рассматривать как реализации сигнала в различных сечениях муарограммы. Для определения потенциальной точности метода производилась статистическая обработка результатов работы алгоритма. Получена характеристика точности в виде зависимости среднеквадра-

тической ошибки восстановления фазовой функции -\/(ДФ)2 =

от интенсивности флуктуационного шума.

V к I

Здесь

- исходная и восстановленная фазовые функции; к = 1,2,... К\ I = 1,2,... Ь - номера элементов изображения; К*Ь = 720x576 -число рассматриваемых элементов изображения. При отношении сигнал/шум

у/ >20 дБ ошибка -\/(ДФ)2 < 0.02тг, что позволяет- сделать вывод о высокой помехоустойчивости метода и возможности использования в качестве формирователей сигнала изображения стандартных ТВ датчиков на ПЗС.

В заключительной части главы показана возможность выявления и оценки нарушений чистоты основных цветов воспроизводящих устройств методом пространственного стробирования периодической структуры многоцветных экранов. Произведено моделирование различных случаев нарушения чистоты цвета и получены муаровые картины, соответствующие данным случаям, а также представлены результаты исследования реальных воспроизводящих устройств с масочными кинескопами.

В заключении сформулированы основные результаты проведенных исследований, которые состоят в следующем.

1. Разработан метод визуальной оценки масштабных искажений на участках изображения, основанный на сравнении шага тестовой структуры и шага линий ТВ растра. Предложены оригинальные тестовые структуры с переменным шагом штрихов, обеспечивающие удобство использования гиперболических муаровых полос и оперативность визуального отсчета относительных значений масштаба по градуированным шкалам. Показано, что при выбранных параметрах тестовых структур точность оценки в 15 ...20 раз превышает точность традиционных способов измерения по изображению сетчатого поля и может быть повышена при уменьшении диапазона значений оцениваемых искажений. Реализуемый принцип отсчетного устройства исключает косвенный характер измерений. Предложены и разработаны принцип компоновки испытательной таблицы и методика измерений.

2. Разработан и исследован метод автоматизированной оценки координатных искажений в ТВ системе с использованием линейных тестовых

структур с постоянным шагом штрихов. Предложено интерпретировать муаровые картины как семейство линий равных перемещений точек исходного изображения относительно разлагающего растра в направлении дискретного разложения. Разработаны методика проведения измерений и последовательность операций для восстановления значений координатной ошибки в каждой точке изображения.

3. За оценку функции пространственного фазового сдвига между структурами тестового изображения и ТВ растра предложено принимать аргумент комплексного аналитического сигнала, соответствующего регистрируемой реализации муарового сигнала. Для возможности одномерной обработки в спектральной области и безошибочного восстановления аналитического сигнала предложено ввести пространственную несущую за счет небольшой разницы шагов растра и тестового изображения.

4. С использованием машинного моделирования получена характеристика потенциальной точности метода в виде зависимости среднеквадратиче-ской ошибки восстановления от интенсивности флуктуациопного шума, позволяющая сделать вывод о высокой помехоустойчивости восстановления фазовой функции методом прямой демодуляции.

5. Высокая точность процедуры автоматизированной обработки муаровых картин и восстановления поля координатных ошибок позволяет использовать данный метод для прецизионной оценки искажений в ТВ системах, а также при решении телевизионными методами задач экспериментальной механики по оценке малых деформаций и перемещений объектов.

6. Предложен и разработан метод пространственного стробирования структуры многоцветных экранов, позволяющий оперативно выявить и оценить нарушения чистоты основных цветов воспроизводящих устройств без проведения колориметрических измерений. Получены приближенные выражения для расчета координат цветности основного цвета при нарушении цветоделения, пригодные для инженерных расчетов. Получены зависимости площади треугольника основных цветов для различных сочетаний основного и посторонних цветов. Предложен способ автоматизации измерений, в основе которого лежит оценка геометрических параметров цветных муаровых фрагментов.

7. Произведен выбор основных геометрических параметров муаровой картины и соответствующих параметров стробирующего трафарета. Получены аналитические выражения для расчета скважности трафарета исходя из характеристик сигнала на выходе анализирующего ТВ датчика. Построено семейство зависимостей, позволяющих определить значение времени накопления, обеспечивающего требуемое отношение сигнал/шум при заданной скважности стробирующего трафарета.

8. Результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований показывают возможность эффективного использования разработанных методов при производстве, сертификации и эксплуатации ТВ аппаратуры.

9. Результаты диссертационной работы внедрены при измерении и контроле параметров видеомониторов, эксплуатируемых в составе интегрированных телевизионных систем безопасности.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Белозерцев А. В. Автоматизация измерений геометрических искажений в телевизионных камерах // 52-я научно-техн. конф. СПб НТО РЭС им. А. С. Попова. Тезисы докладов. Апрель 1997 г. СПб.: НТО РЭС им. А. С. Попова, 1997. - С. 55-56.

2. Белозерцев А. В. Испытательная таблица для точной оценки геометрических искажений в телевизионном передающем устройстве // 53-я научно-техн. конф. СПб НТО РЭС им. А. С. Попова. Тезисы докладов. Апрель 1998 г. СПб.: НТО РЭС им. А. С. Попова, 1998. - С. 76.

3. Белозерцев А. В. Муар-эффект на телевизионном экране и его использование в измерительных целях // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». Серия «Радиоэлектроника». 1998. Вып. 2. - С. 22 - 25.

4. Белозерцев А. В., Семенов В. Н. Муаровый метод измерения чистоты основных цветов кинескопа // 54-я научно-техн. конф. СПб НТО РЭС им. А. С. Попова: Тезисы докладов. Апрель 1999 г. СПб.: СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 1999.-С. 26.

5. Белозерцев А. В., Семенов В. Н., Эйссенгардт Г. А. Использование интерференционных явлений для оценки оконечных параметров телевизионных систем // 55-я научно-техн. конф. СПб НТО РЭС им. А. С. Попова. Тезисы докладов. Апрель 2000 г. СПб.: СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2000. - С. 41-42.

6. Белозерцев А. В. Шумы пространственной дискретизации в телевизионной системе и их влияние на качество воспроизводимых изображений // 57-я научно-техн. конф. СПб НТО РЭС им. А. С. Попова. Тезисы докладов. Апрель 2002 г. СПб.: СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2002. - С. 131-132.

7. Белозерцев А. В., Семенов В. Н. Оценка цветностей основных цветов трехлучевых масочных кинескопов с использованием муара // Телевидение: передача и обработка изображений: Материалы 2-й международной конференции. 21-22 мая 2002 г. СПб.: СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2002. - С. 20-22.

8. Белозерцев А. В., Семенов В. Н. Использование муарового эффекта для оценки чистоты основных цветов устройств отображения видеоинформации с дискретными многоцветными экранами // Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2002. Вып.1. - С. 35-45.

9. Белозерцев А. В. Метод автоматизированной оценки координатных искажений изображения с использованием эффекта муара // Телевидение: передача и обработка изображений: Материалы 3-й международной конференции. 5-6 июня 2003 г. СПб.: СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2003. - С. 62-64.

ЛР№ 020617 от 24. 06.98

Подписано в печать 15.07.03. Формат 60*84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,16. _Тираж 100 экз. Заказ 93._

Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии Издательства СПбГЭТУ «ЛЭТИ» 197376, С.-Петербург, ул. Проф. Попова, 5

¿1ÔÛ > - ft ( 4С>8<Э

#¡14 0 80

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ

1. ЭФФЕКТ МУАРА ПРИ НАЛОЖЕНИИ ДВУХМЕРНЫХ РАСТРОВЫХ СТРУКТУР

1.1. Механизм возникновения муарового эффекта

1.2. Эффект муара в телевизионной системе 21 Выводы по главе

2. ОЦЕНКА МАСШТАБНЫХ И КООРДИНАТНЫХ ИСКАЖЕНИЙ В ТЕЛЕВИЗИОННЫХ УСТРОЙСТВАХ

2.1. Искажения геометрии изображения и их оценка

2.2. Методы оценки параметров телевизионных устройств и изображений с использованием эффекта муара

2.3. Разработка метода визуальной оценки масштабных искажений изображения

2.3.1. Оценка масштабных искажений

2.3.2. Разработка тестовых структур для оценки масштабных искажений

2.3.3. Испытательная таблица и методика измерений

2.3.4. Оценка погрешности измерений

2.4. Разработка метода автоматизированной оценки координатных искажений изображения

2.4.1. Постановка задачи и схема измерительной установки

2.4.2. Интерпретация муаровых картин и методика измерений 6Ц

2.4.3. Алгоритмическая обработка муаровых изображений 68 Выводы по главе

3. ОЦЕНКА ИСКАЖЕНИЙ ЦВЕТОВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ, ОСНОВАННАЯ НА ИСПОЛЬЗОВАНИИ ЭФФЕКТА МУАРА

3.1. Особенности цветовоспроизведения в трехлучевых масочных кинескопах

3.2. Методы оценки цвета на воспроизводящих экранах

3.3. Разработка метода оценки чистоты основных цветов масочного кинескопа

3.3.1. Количественная характеристика чистоты цвета. Координаты цветности основного цвета

3.3.2. Картина муара при наложении стробирующего трафарета-маски на многоцветный экран

3.3.3. Выбор параметров и обработка муаровых картин

3.3.4. Оценка порога чувствительности и погрешности метода 108 Выводы по главе 3 114 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ УСТРОЙСТВ С

ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭФФЕКТА МУАРА

4.1. Визуальная оценка масштабных искажений изображения

4.2. Экспериментальные исследования метода автоматизированной оценки координатных искажений изображения

4.3. Экспериментальная оценка чистоты основных цветов масочного кинескопа

Выводы по главе

Совершенствование способов телевизионной передачи изображений, широкое применение методов цифровой обработки сигналов, появление систем цифрового телевидения привело к существенному повышению качества передачи. Геометрическое подобие передаваемого изображения оригиналу является одним из важнейших параметров, определяющих качество воспроизводимых изображений в ТВ системах визуального отображения и правильную интерпретацию данных в системах технического зрения [1]. В идеальном случае преобразования исходного изображения сводятся к изменению его масштаба, однако в реальных ТВ системах воздействие ряда искажающих факторов приводит к нарушению подобия координатного пространства входного сигнала и эквивалентного пространства изображений.

Существующие методы контроля параметров ТВ устройств и изображений не всегда удовлетворяют требованиям, предъявляемым в настоящее время к метрологическому обеспечению процессов производства, сертификации и эксплуатации ТВ техники. Можно указать немало задач, для которых требуется существенно более высокая эффективность оценки координатных искажений, вносимых ТВ системой: для измерения и контроля параметров устройств телевидения повышенного качества и высокой четкости; для повышения точности ТВ измерительных систем, где извлечение информации об объектах исследования осуществляется путем анализа пространственной структуры изображения; для построения высококачественных устройств ввода-вывода изображений и т.д. Возникает необходимость усовершенствования существующих и создания новых методов с целью повышения их точности, чувствительности и разрешающей способности, снижения трудоемкости, возможности автоматизации процессов измерения, обработки и отображения результатов. Эффективное решение этих задач и существенное расширение возможностей ТВ метрики обеспечивает использование эффекта муара в измерительных целях.

Другой важной характеристикой ТВ изображений является достоверность передачи информации о цвете. При подготовке полиграфической продукции к печати, монтаже телевизионных программ, создании мультимедийных продуктов точность цветопередачи имеет первостепенное значение. Получение высокой колориметрической верности воспроизведения возможно только при точном соответствии характеристик цветовой системы видеомонитора принятому способу кодирования информации о цвете. В настоящее время наиболее высококачественными устройствами воспроизведения цветных изображений остаются электронно-лучевые трубки с дискретными многоцветными люминофорными покрытиями экранов (масочные кинескопы) [2]. Одной из причин искажений цветопередачи в масочных кинескопах является нарушение цветоделения, приводящее к попаданию электронных пучков на не соответствующие им элементы люминофорного покрытия экрана. Выявление смещения электронных пятен на соседние люминофоры и оценка чистоты основных цветов также может быть эффективно осуществлено с использованием эффекта муара, что связано с дискретным периодическим характером структуры многоцветных экранов.

Муаровый эффект является эффективным средством исследования мелких естественных и искусственных структур, если их непосредственное наблюдение невозможно, нецелесообразно или неэффективно. В основе использования эффекта муара как средства наблюдений лежит его свойство отображать с увеличением структуру налагающихся решеток, что позволяет согласовать разрешающую способность зрительной системы человека или инструмента, заменяющего ее при наблюдении посторонних узоров, с соответствующей микроструктурой объектов. В соответствующих системах измерения и контроля формируются муаровые интерференционные картины, на основании анализа которых осуществляется оценка тех или иных параметров исследуемых объектов. Вследствие своего чисто геометрического характера муар позволяет исследовать перемещения и деформации независимо от их физической природы. Высокая точность методов муаровых измерений в сочетании с широким спектром возможных применений определили их использование для решения разнообразных научных и прикладных задач [3, 4].

Впервые муаровый эффект, наблюдаемый при наложении дифракционных решеток, описан Рэлеем [5]. Позднее появляются работы по анализу и интерпретации муаровых картин, возникающих при наложении различных периодических структур [6, 7, 8, 9 и др.]. Начиная с 40-х гг. XX в., после того как стало возможным промышленное изготовление мелких и точных сеток, методы исследований, основанные на использовании эффекта муара, широко применяются в различных областях науки и техники для получения информации о физических объектах и процессах. Данное явление используют в растровой микроскопии для обнаружения дислокаций в кристаллических структурах [10], для контроля изделий микроэлектроники [И], в биомедицинских исследованиях [12], в текстильной промышленности при определении плотности тканей, для выявления дефектов периодичности различных мелких сеток, растров, дифракционных решеток и т.д. Широко распространено применение муара в экспериментальной механике для точного измерения линейных и угловых перемещений [13, 14], механических деформаций и напряжений в деталях и узлах различных конструкций [15, 16, 17, 18, 19 и др.], при определении формы трехмерных тел и топографических исследованиях рельефа поверхностей [20, 21], при выявлении неоднородностей и определении показателей преломления оптических систем, растворов и других прозрачных сред, при оптических исследованиях в телескопии, микроскопии, фотометрии и т.д.

Важнейшим этапом любых интерференционных исследований является извлечение информации о разности фаз интерферирующих структур на основании анализа распределения интенсивности интерферограммы. Применение того или иного способа обработки определяется характером решаемой задачи и, в первую очередь, требованиями к точности и информационной производительности измерительной системы [22, 23, 24]. В системах адаптивной оптики, при высокоточном оптическом контроле, при исследованиях формы поверхностей получили распространение методы, основанные на выделении хребтовых линий на интерферограммах [25]. Точность таких методов определяется в первую очередь ошибкой выделения линий равных фаз по измеренным значениям интенсивности интерференционной картины в условиях воздействия реальных шумов и искажений. Исследования и разработка методов скелетонизации интерферограмм в реальном времени с использованием ТВ устройств проводились на кафедре Телевидения и видеотехники СПбГЭТУ «ЛЭТИ» [26, 27, 28].

Большие потенциальные возможности методов муаровых измерений позволяют предположить, что их применение для оценки параметров ТВ устройств, связанных с имеющимися в них периодическими структурами, приведет к существенному росту эффективности решения этих задач в плане повышения точности, снижения трудоемкости и возможности автоматизации измерений. Однако вопросы применения эффекта муара в ТВ метрике к настоящему времени изучены недостаточно полно и отражены в работах, относящихся в основном к 50-м .70-м гг. XX в. Результаты существующих исследований могут быть расширены и модифицированы применительно к современным потребностям ТВ техники.

В соответствии с указанными проблемами цель диссертационной работы может быть сформулирована следующим образом: разработка и исследование методов, обеспечивающих повышение эффективности оценки параметров и характеристик ТВ устройств и изображений на основе использования эффекта муара. Для достижения поставленной цели в диссертационной работе поставлены и решены следующие задачи.

1. Анализ механизмов возникновения, свойств и проявлений муарового эффекта в ТВ системе.

2. Систематизация и сравнительный анализ существующих муаровых методов ТВ измерений.

3. Разработка метода визуальной оценки масштабных искажений по полю изображения, включающая следующие этапы: разработку тестовых структур и математическое описание процессов формирования посторонних узоров; синтез испытательной таблицы; разработку методики измерений.

4. Разработка метода автоматизированной оценки координатных искажений в ТВ системе, включающая следующие этапы: выбор тестовых структур и интерпретацию муаровых картин; определение модели сигнала муарового изображения в условиях воздействия реальных шумов и искажений; синтез и исследование алгоритма машинной обработки регистрируемых муаровых изображений.

5. Разработка метода оценки искажений цветовоспроизведения в приемных устройствах с дискретными экранами, включающая следующие этапы: анализ причин и характера нарушений чистоты основных цветов в масочных кинескопах и определение вызываемых ими искажений; формулировка принципа пространственного стробирования и математический анализ процессов формирования муаровых картин; разработку методики измерений.

6. Анализ факторов, влияющих на точность разработанных методов, и оценка погрешностей результатов измерений.

7. Экспериментальные исследования и подтверждение полученных результатов.

Основные методы исследования. Теоретическая часть работы базируется на положениях теории сигналов, спектрального анализа и основных положениях колориметрии. Экспериментальные исследования проведены на реальных ТВ устройствах с использованием разработанных испытательных изображений, а также с использованием имитационного моделирования процедур обработки муаровых изображений на ЭВМ.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем.

1. Показано, что для визуальной оценки относительного масштаба на участках изображения целесообразно использовать тестовые структуры с переменным шагом штрихов. Метод сочетает удобство использования гиперболических муаровых полос и оперативность визуального отсчета значений масштаба по градуированным шкалам, нанесенным на тестовые фрагменты. Предложены и разработаны принцип компоновки испытательной таблицы и методика измерений.

2. Разработан метод автоматизированной оценки координатных искажений в ТВ системе, предполагающий фотоэлектрическое преобразование и обработку муаровых картин на ЭВМ. В соответствии с выбранной структурой тестовых изображений предложены способ интерпретации муаровых картин и методика измерений.

3. Разработана процедура алгоритмической обработки муаровых картин и оценки непрерывной функции распределения координатных ошибок по полю изображения, в основе которой лежит восстановление фазы комплексного аналитического сигнала, соответствующего регистрируемому сигналу муарового изображения. Разработаны методики и программы для моделирования и исследования характеристик процедуры автоматизированной обработки муаровых изображений на ЭВМ.

4. Предложен и разработан пространственно-стробоскопический метод оценки чистоты основных цветов трехлучевых масочных кинескопов, основанный на транспонировании высокочастотного спектра структуры многоцветных экранов в низкочастотную область. Установлена взаимосвязь цветового охвата воспроизводящего устройства со светотехническими характеристиками люминофоров и структурой их возбуждения электронными пучками. Показана возможность оценки координат цветности основного цвета, анализируя геометрические параметры цветной муаровой картины. Определены пути автоматизации измерений.

5. Определены критерии выбора и выбраны номинальные значения геометрических параметров цветной муаровой картины и соответствующий им шаг окон прозрачности стро-бирующего трафарета. Установлена взаимосвязь фотометрических параметров свечения экрана, скважности трафарета и параметров, характеризующих режим работы ТВ датчика при фотоэлектрическом анализе муаровой картины. '

6. Произведены анализ источников и оценка погрешностей разработанных методов.

Практическая ценность работы. Значение результатов диссертационной работы для практики заключается в следующем.

1. Разработанные методы муаровой оценки масштабных и координатных искажений изображения, а также чистоты основных цветов воспроизводящих устройств позволяют повысить точность и информационную производительность измерений, исключить субъективную погрешность оператора, в результате чего повышаются эксплуатационно-технические характеристики контролируемой аппаратуры.

2. Полученные теоретические результаты позволяют осуществить синтез структуры и выбрать параметры измерительно-вычислительной системы, изготовить оптические тест-таблицы и реализовать алгоритмы обработки измерительной информации.

3. На основе созданного научно-методического аппарата разработано программное обеспечение для моделирования и исследования характеристик предложенных методов с использованием современных вычислительных средств.

4. Разработанные принципы измерений, методики и алгоритмы могут быть эффективно внедрены в состав автоматизированных измерительно-вычислительных комплексов, предназначенных для измерений и технологического контроля в процессах производства, сертификации и эксплуатации ТВ устройств вещательного и прикладного назначения. Способы получения и алгоритмической обработки муаровых картин могут быть использованы для экспериментальной оценки механических деформаций и напряжений в деталях и узлах различных конструкций.

Результаты диссертационной работы использованы при выполнении хоздоговорной научно-исследовательской работы Т-142 по разработке интегрированных телевизионных систем безопасности, проводимой кафедрой Телевидения и видеотехники СПбГЭТУ «ЛЭТИ» совместно с группой компаний «Иста», что подтверждено соответствующим актом внедрения (Приложение 1). Результаты работы использованы при выполнении научно-исследовательской работы по гранту СПбГЭТУ «ЛЭТИ» для аспирантов и докторантов (2000 г.), а также внедрены в учебный процесс.

На защиту выносятся следующие основные положения.

1. Существующие методы оценки искажений геометрии ТВ изображения не всегда удовлетворяют требованиям современной ТВ метрики. Дальнейшее повышение точности и информационной производительности, возможность автоматизации методов оценки параметров и характеристик ТВ устройств и изображений, связанных с имеющимися в них периодическими структурами, достигается при использовании эффекта муара.

2. Метод визуальной оценки масштабных искажений на участках изображения, реализующий принцип отсчетного устройства с градуированными шкалами.

3. Метод автоматизированной оценки распределения координатных ошибок по полю изображения с обработкой муаровых картин на ЭВМ.

4. Способ интерпретации картин муара и последовательность операций при машинной обработке регистрируемых муаровых изображений.

5. Метод оперативного выявления и оценки нарушений чистоты основных цветов устройств воспроизведения изображений, основанный на пространственном стробировании периодической структуры многоцветных экранов.

Материал диссертационной работы разбит на четыре главы. В разделе 1.1 первой главы рассмотрен механизм возникновения эффекта муара при наложении двухмерных растровых структур. В разделе 1.2 проанализированы непрерывно-дискретные преобразования в ТВ системе, рассмотрены возникающие искажения изображений и возможности их минимизации. Вторая глава посвящена вопросам оценки масштабных и координатных искажений в ТВ системах. Виды искажений геометрии изображения и критерии их оценки кратко рассмотрены в разделе 2.1. Обзор методов оценки параметров и характеристик ТВ устройств, основанных на использовании фигур муара, проведен в разделе 2.2 главы 2. В разделе 2.3 разрабатывается метод визуальной муаровой оценки масштабных искажений, а в 2.4 — метод оценки координатных искажений изображения с обработкой муаровых картин на ЭВМ. Глава 3 диссертационной работы посвящена вопросам цветопередачи в устройствах с дискретными многоцветными экранами. Разделы 3.1 и 3.2 содержат краткое описание особенностей цветовоспроизведения в трехлучевых масочных кинескопах и обзор основных методов оценки цвета на приемных экранах. В разделе 3.3 проведена разработка пространственно-стробоскопического метода оценки чистоты основных цветов масочных кинескопов. В главе 4 приведены результаты экспериментальных исследований, подтверждающих и дополняющих теоретическую часть работы.

Основные результаты исследований опубликованы в работах

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

V.

В результате выполнения диссертационной работы разработана группа методов, позволяющих существенно повысить эффективность оценки параметров и характеристик ТВ устройств и изображений на основе использования эффекта муара.

Обобщая результаты проведенных исследований, необходимо отметить следующее.

1. Разработан метод визуальной оценки масштабных искажений на участках изображения, основанный на сравнении шага тестовой структуры и шага линий ТВ растра. Предложе

J ны оригинальные тестовые структуры с переменным шагом штрихов, обеспечивающие v удобство использования гиперболических муаровых полос и оперативность визуального отсчета относительных значений масштаба по градуированным шкалам. Показано, что при выбранных параметрах тестовых структур точность оценки в 15 . 20 раз превышает точность традиционных способов измерения по изображению сетчатого поля и может быть повышена при уменьшении диапазона значений оцениваемых искажений. Реализуемый принцип от-счетного устройства исключает косвенный характер измерений.

2. Разработан и исследован метод автоматизированной оценки координатных искажений в ТВ системе с использованием линейных тестовых структур с постоянным шагом штрихов. Предложено интерпретировать муаровые картины как семейство линий равных пеrf ремещений точек исходного изображения относительно разлагающего растра в направлении дискретного разложения, что позволяет восстановить поле координатных ошибок, оценивая распределение фаз в муарограмме.

3. За оценку функции пространственного фазового сдвига между структурами тестового изображения и ТВ растра предложено принимать аргумент комплексного аналитического сигнала, соответствующего регистрируемой реализации муарового сигнала. Для возможности одномерной обработки в спектральной области и безошибочного восстановления аналитического сигнала предложено ввести пространственную несущую за счет небольшой разницы шагов растра и тестового изображения. г^ 4. С использованием машинного моделирования получена характеристика потенциальной точности метода в виде зависимости среднеквадратической ошибки восстановления от интенсивности флуктуационного шума, позволяющая сделать вывод о высокой помехоустойчивости восстановления фазовой функции методом прямой демодуляции.

5. Высокая точность процедуры автоматизированной обработки муаровых картин и восстановления поля координатных ошибок позволяет использовать данный метод для прецизионной оценки искажений в ТВ системах, а также при решении телевизионными методами задач экспериментальной механики по оценке малых деформаций и перемещений объектов.

6. Предложен и разработан метод пространственного стробирования структуры многоцветных экранов, позволяющий оперативно выявить и оценить нарушения чистоты основных цветов воспроизводящих устройств без проведения колориметрических измерений. Получены приближенные выражения для расчета координат цветности основного цвета при нарушении цветоделения, пригодные для инженерных расчетов. Получены зависимости площади треугольника основных цветов приемника от степени нарушения основного цвета для различных сочетаний основного и посторонних цветов. Предложен способ автоматизации измерений, базирующийся на фотоэлектрическом преобразовании и оценке геометрических параметров цветных муаровых фрагментов.

7. Произведен выбор основных геометрических параметров муаровой картины и соответствующих параметров стробирующего трафарета. Получены аналитические выражения для расчета скважности трафарета исходя из характеристик сигнала на выходе анализирующего ТВ датчика. Построено семейство зависимостей, позволяющих определить значение времени накопления, обеспечивающего требуемое отношение сигнал/шум при заданной скважности стробирующего трафарета.

8. Результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований показывают возможность эффективного использования разработанных методов при производстве, сертификации и эксплуатации ТВ аппаратуры.

9. Результаты диссертационной работы внедрены при измерении и контроле параметров видеомониторов, эксплуатируемых в составе интегрированных телевизионных систем безопасности. - — ••

1. Кривошеее М. И. Основы телевизионных измерений. 3-е изд., доп. и перераб. М.: Радио и связь, 1989.-608 с.

2. Чирков J1., ИвинЛ. Устройства отображения для телевизионного производства // 625: Информационно-технический журнал. 2002. № 9. С. 5 - 15.

3. Kafri О., Glat I. The Physics of Moire Metrology. N.Y.: John Wiley & Sons,1990.

4. Post D., Han В., Ifju P. High sensitivity moire: Experimental analysis for mechanics and materials. N.Y.: Springen-Verlag, 1994.-445 p.

5. Lord Rayleigh. On the manufacture and theory of diffraction gratings // Phil. mag. Vol. 47. 1874. Ser. 4.-Pp. 81-193.

6. Guild J. The Interference System of Crossed Diffraction Gratings. Oxford: Clarendon Press, 1956.

7. Шубников А. В. Об эффектах наложения сетчатых систем фигур друг на друга // Журнал технической физики. 1952. Т. XXII. Вып. 12. С. 2038-2060.

8. Игнатьев Н. К. Спектральное исследование биений между двумерными растровыми системами // Кристаллография. Т. 5. 1960. Вып. 3. С. 383-389.

9. Oster G., Wasserman М., Zwerling С. Theoretical interpretation of moire patterns // Journal of Optical Society of America. Vol. 54. 1964. № 2. Pp. 169-175.

10. Дифракционные и микроскопические методы в материаловедении / Под ред. С. Амелинкса и др. Пер. с англ. под ред. М. П. Усикова. М.: Металлургия, 1984. — 502 с.

11. Voloshin A. S. Analysis of the Thermal Loading in Electronics Packages by Enhanced Moire Interferometry // In the book: Thermal Stress and Strain in Microelectronics Packaging / Ed. by J. H. Lau. N.Y.: Van Nostrand Reinhold, 1993.

12. Wang R. Z., Weiner S. Strain-structure relations in human teeth using moire fringes // Journal of Biomechanics. Vol 31 1998. № 2. Pp. 135-141.

13. Мироненко А. В. Фотоэлектрические измерительные системы (измерение линейных и угловых величин). М.: Энергия, 1967. 360 с.

14. Преснухин Н. Л., Шаньгин В. Ф., Шаталов Ю. А. Муаровые растровые датчики положения и их применение. М.: Машиностроение, 1969. -203 с.

15. Сухарев И. П., Ушаков Б. Н. Исследование деформаций и напряжений методом муаровых полос. М.: Машиностроение, 1969. — 208 с.

16. Теокарис П. Муаровые полосы при исследовании деформаций: Пер. с англ. М.: Мир, 1972.-335 с.

17. ДюреллиА., Парке В. Анализ деформаций с использованием муара: Пер. с англ. М.: Мир, 1974.-360 с.

18. Chiang F. P. Moire methods of strain analysis // Experimental Mechanics. Vol. 19. 1979. № 8. Pp. 290-308.

19. Sciammarella C. A. The moire method a review // Experimental Mechanics. Vol. 22. 1982. № 11.-Pp. 418-433.

20. Takasaki H. Moire topography // Applied optics. Vol. 12. 1973. № 4. P. 845.

21. TakedaM., Mutoh K. Fourier transform profilometry for the automatic measurement of 3-D object shapes // Applied optics. Vol. 22. 1983. № 24. Pp. 3977-3982.

22. Reid G. T. Automatic fringe pattern analysis: a review // Optics and Lasers in Engineering. 1986/87. Vol. 7.-Pp. 37-68.

23. Гуров И. П. Методы и техника автоматической обработки сигналов в интерференционных измерительных системах // Измерения, контроль, автоматизация. Вып. 2(74). 1990. С. 69-79.

24. Тартаковский В. А. Анализ интерферограмм // В кн.: Проблемы оптического контроля. Новосибирск: Наука. Сиб. отделение, 1990. С. 40-115.

25. Оптический производственный контроль / Под ред. Д. Малакары. М.: Машиностроение,1985. ^00 с.

26. Косачев А. В., Степанов Н. Н., Шевченко А. О., Штермер Я. Л. Телевизионная система для обработки интерференционных картин // Обработка сигналов и полей в информационных радиосистемах. JL: ЛЭТИ, 1991. — С. 84-87. (Изв. ЛЭТИ, вып. 440).

27. Нестеров В. К. Разработка и исследование устройств обработки сигнала изображения для систем анализа интерференционных картин: дисс. на соиск. уч. ст. к. т. н. ЛЭТИ: Л, 1983. 153 с.

28. Косачев А. В. Исследование и разработка устройств обработки телевизионного сигнала для интерферометрических систем: дисс. на соиск. уч. ст. к. т. н. ЛЭТИ: Л., 1988. 192 с.

29. Игнатьев Н. К. Дискретизация и ее приложения. М.: Связь, 1980. 264 с.

30. Игнатьев Н. К. О стробоскопических явлениях в кино и телевидении // Техника кино и телевидения. 1957. № 8. С. 21-26.

31. Рябинин Ю. А. Стробоскопическое осциллографирование. М.: Сов. радио, 1972. — 272 с.

32. Гоноровский И. С. Радиотехнические цепи и сигналы: Учебник для вузов. М.: Радио и связь, 1986.-512 с.

33. Красильников Н. Н. Теория передачи и восприятия изображений. М.: Радио и связь,1986.-248 с.

34. Прэтт У. Цифровая обработка изображений. Кн. 1: Пер. с англ. М.: Мир, 1982. 312 с.

35. Красильников Н. Н., Красильникова О. И. Шум пространственной дискретизации // Методы цифровой обработки, передачи и отображения информации. JL: ЛИАП, 1982. — С. 3-8. (Межвуз. сб. науч. тр., вып. 156).

36. Игнатьев Н. К. О влиянии структуры телевизионного растра на искажения передаваемого изображения // Сборник трудов института МС СССР. 1961. Вып. 3 (24). С. 32-53.

37. Рыфтин Я. А. Телевизионная система (теория). М.: Сов. радио, 1967. 272 с.

38. Чижиков К. К. О восприятии и воспроизведении полутонов в телевидении // Вопросы радиоэлектроники. Серия Техника телевидения. 1970. Вып. 4. С. 133-157.

39. Пономаренко И. Е. Возникновение муара на экране цветного масочного кинескопа при наличии дискретного изображения // Электронная техника. Серия 4: Электровакуумные и газоразрядные приборы. 1974. Вып. 3. — С. 22-29.

40. Красильникова О. И. Методы и устройства подавления шума пространственной дискретизации изображений в ТВ системах: Дисс. на соиск. ученой степ, кандидата технич. наук. ЛИАП: Л., 1991.-302 с.

41. Барб Д., КэмпанаС. Изображающие приборы с зарядовой связью // В сб.: Достижения в технике передачи и воспроизведения изображений. Т. 3. Под ред. Б. Кейзана. Пер. с англ. М.: Мир, 1980. С. 248-261.

42. Семенов В. Н. Оптимальное поперечное разложение в телевидении // Известия ЛЭТИ. Вып. 84: Радиотехнические устройства и системы. Л.: ЛЭТИ, 1969. С. 23-29.

43. Цифровое кодирование телевизионных изображений / И. И. Цуккерман, Б. М. Кац и др. Под ред. И. И. Цуккермана. М.: Радио и связь, 1981. — 240 с.

44. Дюбуа Э. Дискретизация и восстановление движущегося изображения в применении к видеосистемам // ТИИЭР. Т. 73. 1985. № 4. С. 7-30.

45. Егорова С. Д. Теория оптико-электронных преобразований: Конспект лекций. Л.: ЛЭТИ, 1981.-60 с.

46. Кириллов С. Е. Анализ методов оптической низкочастотной фильтрации в цветных ТВ камерах на твердотельных преобразователях // Известия ГЭТУ. Вып. 499: Обработка сигналов и полей в информационных радиосистемах. СПб.: ГЭТУ, 1996. С. 45-49.

47. Грудзинский М. А., Цуккерман И. И., Шостацкий Н. Н. Дискретизация ТВ изображений при цифровом кодировании // Техника кино и телевидения. 1978. № 11. — С. 19-23.

48. Меренков В. М., Шостацкий Н. Н. Экспериментальные исследования дискретизации ТВ изображений при цифровом кодировании // Техника средств связи. Серия Техника телевидения. 1980. Вып. 6. С. 22.

49. Фильтрация изображений для подавления помех дискретизации в цифровом ТВ / М. А. Грудзинский, В. М. Меренков, И. И. Цуккерман, Н. Н. Шостацкий // Техника кино и телевидения. 1981. № 3. С. 42-46.

50. Пономаренко И. Е. К вопросу об измерении контрастно-частотных характеристик цветных кинескопов // Электронная техника. Серия 4: Электровакуумные и газоразрядные приборы. 1972. Вып. 5. С. 27-30.

51. Ангафоров А. П. Оконечные устройства приемников цветного телевидения. М.: Связь, 1971.-240 с.

52. Ramberg Е. G. Elimination of moire effects in tri-color kinescopes // Proceedings of IRE. 1952. Vol. 40. №8.-Pp. 916-923.

53. Robbinsl. D., MackeyD. I. Moire pattern in colour television // IEEE Transactions. 1966. Vol. 54 (BTR-12). № 3. Pp. 105-121.

54. Чичерина JI. H. Спектральное исследование муара в цветном кинескопе с теневой маской // Вопросы радиоэлектроники. Серия Техника телевидения. 1968. Вып. 3. С. 138-149.

55. Гофайзен О. В., Серебрин В. JI. О воспроизведении изображений масочными кинескопами // Вопросы радиоэлектроники. Серия Техника телевидения. 1970. Вып. 4. — С. 40-59.

56. Пономаренко И. Е. Образование муара при наложении дискретных структур // Электронная техника. Серия 4: Электровакуумные и газоразрядные приборы. 1981. Вып. 4 (87). С. 17-23.

57. Таблицы испытательные оптические телевизионные. Типы, размеры, технические требования: ГОСТ 14872-82. Введ. 01.07.83. М.: ГК СССР по стандартам, 1982. 11 с.