автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.02, диссертация на тему:Разработка способов цифровой магнитной записи и воспроизведения неподвижных изображений

а од

г т И

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ связи им. проф. М. А. БОНЧ-БРУЕВИЧА

На правах рукописи УДК 621.397.6.037.733.2

КОПЫЛОВ Дмитрий Андреевич

РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ ЦИФРОВОЙ МАГНИТНОЙ ЗАПИСИ И ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ НЕПОДВИЖНЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ

05.12.02 — Системы и устройства передачи информации по каналам связи

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 1993

Работа выполнена в Электротехническом институте связи им. проф. М. А. Бонч-Бруевича.

Научный руководитель — кандидат технических наук, и. о. профессора ГУРЕВИЧ В. Э.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор ЩЕЛОВАНОВ Л. Н.; кандидат технических наук, с. н. с. КОГАН С. С.

Ведущее предприятие — ВНИИ Телевидения.

Защита диссертации состоится йв/«^^1®«^ 1993 г

на заседании специализированного совета К 118.01.01 при Электротехническом институте связи им. проф. М. А. Бонч-Бруевича по адресу: 191065, С.-Петербург, наб. р. Мойки, 61.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью, просим направлять по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря специализированного совета.

Автореферат разослан »

1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук, доцент

В. X. ХАРИТОНОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. 'Цифровые системы передачи, обработки, записи и хранения информации - интенсивно развивающаяся область техники, требующая больших сил и средств на непрерывное совершенствование существующих и возникновение новых услуг.

Потребность в передаче натурных изображений по существующим каналам связи привела к возникновению нового вида связи - передачи неподвижных:телевизионных изображений. Кадр или поле телевизионного сигнала в цифровой форде записывается в оперативное запоминающее устройство и затем с низкой скоростью передается ' по уз— кополосному каналу связи, например, по телефонному каналу. Передача неподвижных телевизионных изображений может использоваться для абонентской видеосвязи, подобно видеотелефону, охраны-и наблюдения за удаленными объектами, видеообмена с подвижными объектами, в медицине и криминалистике.

Низкая скорость передачи информации дает возможность 'на приемной стороне записывать цифровые сигналы неподвижных изображений на аналоговый аудио-магнитофон. Возможны и другие применения 'цифровой магнитной,, записи неподвижных изображений, например,' организация банков "электронных фотографий" на магнитном носитель.

Тема настоящей диссертационной работы, посвященной вопросам записи неподвижных черно-белых полутоновых изображений, например, неподвижных телевизионных изображений, представленных в цифровой форме, на аналоговый магнитофон, поэтому представляется актуальной.

Цель и задачи работы. Целью работы является разработка устройств, позволяющих уменьшить, по сравнению с известными системами, время записи и воспроизведения изображения при жестких ограничениях на сложность аппаратуры и ухудшение качества воспроизводимых изображений бтносительно исходных, - с учетом влияния помех и искажений сигнала, характерных для каналов магнитной записи-воспроизведения аналоговых магнитофонов.

Имеется два основных пути достижения указанной цели: во-первых, повышение битовой плотности записи информации на магнитной ленте путем соответствующего выбора способа записи цифровых сигналов и, во-вторых-, сокращение избыточности цифровых сигналов полутоновых изображений. Дополнительный вклад в уменьшение времени записи воспроизведения изображения может внести минимизация объет ма служебной синхроинформации, вводимой.в цифровой сигнал непод-

вижных изображений для обеспечения цикловой синхронизации. В диссертационной работе рассматриваются все эти три пути, для чего в ней решаются следующие" основные задачи:

- выбор способа записи цифровых сигналов неподвижных изображений на звуковой магнитофон и оптимизация параметров сигнала;

- синтез и анализ работы устройств воспроизведения цифровых сигналов с магнитной ленты, включая алгоритм различения сигналов и устройство поэлементной синхронизации;

- разработка и исследование помехоустойчивого метода сокращения избыточности цифровых сигналов полутоновых изображений.;

' - разработка и исследование устройств цикловой синхронизации цифровых сигналов неподвижных изображений и разработка методики выбора состава синхрогрупп.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовался аппарат теории вероятностей, теории случайных процессов, теории передачи дискретных сообщений, теории условных марковских процессов, а также имитационное моделирование на ЭВМ и экспертные оценки качества изображений при экспериментах с использованием реальной аппаратуры.

Научная новизна диссертационной работы состоит в исследовании.проблем записи неподвижных изображений в цифровой форме на аналоговый звуковой магнитофон, в ходе которого в работе получены следующие новые результаты:

1. Разработана модель канала магнитной записи-воспролзведе-ния звукового магнитофона, удобная для синтеза и анализа работы ♦стройств воспроизведения цифровых сигналов с магнитной ленты.

2. Выполнен аналитический расчет энергетического спектра цифрового сигнала с амплитудно-частотной манипуляцией (АЧМ ).

3. Синтезирован алгоритм различения дискретных сигналов, в том числе сигналов с АЧМ, оптимальный по критерию минимума максимально возможного байесовского риска при изменении коэффициента усиления канала в широких пределах.

4. Выполнен анализ алгоритмов различения цифровых сигналов с АЧМ, воспроизводимых с магнитной ленты..

я. Осуществлен синтез и анализ работы устройств поэлементной синхронизации прк воспроизведении цифровых сигналов с АЧМ.

6. Найдены .аналитические выражения и выполнены расчеты среднего квадрата ошибки предсказания- и средней энергии трека ошибки

ля медианных алгоритмов предсказания при кодировании изображений етодом дифференциальной импульсно-кодовой модуляции ( ДИКМ ) .

7. Произведен анализ работы устройств цикловой синхронизации игровых сигналов неподвижных изображений и разработана методика ибора синхрогрупп для этих сигналов.

Практическая ценность работы состоит в том, что полученные езультаты мозйю с успехом применять в аппаратуре записи цифровой (формации, в том числе цифровых сигналов неподвижных изобраяе-ий, на звуковой магнитофон, в аппаратуре передачи данных по те-эфонным каналам, например, с использованием амплитудно-фазовой анипуляции, а также в системах цифровой передачи и записи изоб-ажений с ДИКМ, в том числе в цифровом телевидении, в системах вдеоконференц-связи и в системах передачи неподвижных телевизя-аных изображений.

Реализация результатов .работы. Основные теоретические и цра-гические результаты диссертационной работы реализованы в зкспе-шентальном и опытных образцах устройства передачи неподвижных глевизионных изображений( У1ЖГИ ) , разработанных з Проблемкой Моратории ЛЭИС им. npoí). MÍA. Бонч-Бруевича а изготовленных в ?89-г. в научно-производстзенном объединении "ЦКБ" Министерства зязи СССР. Экспериментальный и опытные образцы УПНТИ вэедеш в ссплуатацию в 1989 г. в пунктах видеосвязи опытной зоны вздео-мзи Москва-Минск-Ленинград.

Апробация работы. Основные результат:; и положения работы обращались и одобрены на Всесоюзных научно-технических конференци-: "Современные проблемы радиоэлектроники" ( Москва, 1988 ) и "Про-гемы и перспективы развития телевидения" ( С-Петербург, IS9I) , ! — 45 научно-технических конференциях профессорско-прэподава-¡льского состава и сотрудников ЭйС игл. проф. H.A. Бонч-Бруевича Ленинград, 1985 — 1992 гг ) . Получена премия в конкурсе на луч-то теоретическую работу по радиоэлектронике( ЛОЛ ВНТОРЭС и,5.А.С. нова, 1990) . Экспериментальный образец УПНТИ демонстрировался . Международной выставке "Связь-86"( Москва, 1986) .

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опуб-кованы в 10 печатных работах и I депонированной рукописи и за-щены 5-ю авторскими свидетельствами.

Личный вклад автора. Есе новые теоретические результаты, а енно: расчет энергетического спектра цифрового сигнала с АЧМ, нтез и анализ работы устройств воспроизведении цифровых mm на-

лов с АЧМ с магнитной ленты, расчет среднего квадрата ошибки предсказания и средней энергии трека ошибки для медианных алгоритмов предсказания, анализ работы устройств цикловой синхронизг ции и разработка методики выбора состава синхрогрупп, получены автором самостоятельно.

Положения, выносимые на защиту:

1. Для записи неподвижных изображений, представленных в цщ ровой форме, на аналоговый звуковой магнитофон целесообразно и< пользовать амплитудно-частотную манипуляцию с индексом 4M, равю 0.5, отношением частот манипуляции, равным 2:1 и отношением ai плитуд сигналов, обратно пропорциональным отношению их частот.

2. Алгоритм различения дискретных сигналов, минимизирующю максимально возможный байесовский риск при изменении коэффициент усиления канала от нуля до бесконечности, является инвариантны! к амплитуде входного сигнала.

3. При различении двух ортогональных сигналов, наблюдаемых на фоне аддитивного нормального шума, по критерию минимума мака мальной вероятности ошибки при изменении коэффициента усиления канала от нуля до бесконечности,геометргческими интерпретациями линий решения для случаев асимптотически оптимальных алгоритмов при большом и малом отношении сигнал/шум являются, соответственно, медиана и высота в треугольнике, образованном сигнальными в< кторами. Для алгоритма обобщенного максимального правдоподобия при неизвестном коэффициенте усиления канала геометрическая интерпретация линии решения - биссектриса в том же треугольнике.

4. При воспроизведении с магнитной ленты цифровых сигналов АЧМ, если верхняя частота манипуляции превышает половину верхней граничной частоты пропускания канала, требуется коррекция линейных искажений, причем в качестве корректора для верхних частот манипуляции вплоть до верхней граничной частоты пропускания каш ла достаточно использовать фазовый корректор 1-го порядка.

5. При кодировании изображений методом ДИКМ степень сокрапк ния избыточности одинакова для известных двумерных линейных алг<

.ритмов и медианных алгоритмов предсказания, в то время как пом< . хоустойчивооть для медианных алгоритмов в десятки и сотни раз bi ше, чем для линейных алгоритмов предсказания,

6. Состав сосредоточенных синхрогрупп, вводимых в ци$ров< сигнал неподвижных изображений в начале каждой отроки изображен Для обеспечения цикловой синхронизации, целесоооразно выбирать

¡атласно методике, разработанной в диссертационной работе.

Объем и структура диссертации. Диссертационная-работа состо-1Т из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений-

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы.диссертации, сйор-лулированы цель и задачи работы, перечислены основные научные результаты и-определена их практическая цёшюсть.

В первой главе рассматриваются основные принципы цифровой магнитной записи, разрабатывается модель канала магнитной записи-воспроизведения ( КШВ ) звукового магнитофона, удобная для синтеза и анализа работы устройств воспроизведения цифровых сигналов с магнитной ленты ( МЛ) , а также выбирается способ записи цифровых сигналов неподвижных изображений на звуковой магнитофон.

Разработанная модель КМЗВ учитывает линейные, нелинейные и временные искажения сигнала, а также аддитивные и мультипликативные помехи. Модель линейных искажений КМЗВ звукового магнитофона потребовала экспериментальных уточнений, особенно в части ФЧХ. Нелинейные искажения КМЗВ определяются нелинейными искажениями процесса магнитной записи и моделируются нелинейной безынерционной цепью с полиномиальной амплитудной характеристикой. Временные искажения вызываются несовпадением скоростей движения МЛ при записи и воспроизведении из-за постоянного отклонения скорости движения МЛ от номинального значения, дрейфа, периодических й хаотических колебаний скорости. Периодические колебания скорости моделируются синусоидальными колебаниями, дрейф скорости - нормальным марковским процессом Орнштейна-Уленбека, хаотические колебания скорости - белым шумом. Мультипликативные помехи вызываются паразитной амплитудной модуляцией ( ПАМ) -,и выпадениями сигнала. Аддитивные помехи моделируются белым шумом. Уровень основной компоненты аддитивных помех - шума МЛ - пропорционален уровню полезного воспроизводимого сигнала.

Отмечается, что в КМЗВ низкого качества с глубокой 1ЙМ, вн-падениями сигнала и большими отклонениями скорости движения МЛ, что характерно для КМЗВ бытовых звуковых магнитофонов, среди способов цифровой магнитной записи следует отдать предпочтение способам типа ЧМ'и ОФМ с высокой регулярностью воспроизводимых сиг-

налов, высокой степенью самосинхронизации и достоверностью воспроизведения в условиях мультипликативных помех за счет возможности работы устройств воспроизведения по пересечениям сигналом нуля. Предложен способ записи с амплитудно-частотной манипуляцией I индексом ЧМ 0,5 (АЧМ-0,5) , обладающий всеми достоинствами, перечисленными выше, и минимальной верхней частотой энергетического спектра. Спектральная плотность мощности сигналов с АЧМ-0.5

8(00) ТГ2? 81п2(СОШ)

где СО - круговая частота, Т - единичный интервал, А| и А2 - амплитуды низкочастотной и высокочастотной синусоид, соответственно. На высоких частотах этот спектр найболее быстро убывает при ^1=2^2' пониженных плотностей записи в диссертации рассматривается способ АЧМ с индексом ЧМ I (АЧМ-1 ),;дри котором сигнал полностью сбалансирован в каждом единичном интервале.

Во второй главе приводятся результаты синтеза и анализа работы алгоритмов различения цифровых сигналов с АЧМ, воспроизводимых с 1, по результатам этого анализа оптимизируется отношение амплитуд сигналов с АЧМ, производится синтез и анализ работы устройств поэлементной синхронизации, а также приводятся результаты имитационного моделирования процессов магнитной записи и воспроизведения цифровых сигналов с АЧМ.

Показано, что наличие в канале мультипликативных помех, прежде всего, выпадений сигнала, приводит к неработоспособности известных алгоритмов различения полностью известных сигналов при различении сигналов с АЧМ и ^^ ^У435 поэлементного раз-

личения синтезируется алгоритм различения произвольных сигналов на фоне аддитивных помех с произвольной плотностью вероятности, оптимальный чпо критерию минимума максимально возможного байесовского риска при изменении коэффициента усиления канала от 0 до бесконечности. Минимаксным -является оптимальный алгоритм различения инвариантный к амплитуде входного, сигнала. Если при различении М сигналов с априорными вероятностями и представляемыми в пространстве наблюдений векторами известны стоимости с. . все* исходов испытаний, где 1 - номер выбранного сигнала, 3 - номер

Ч -2 А2 '

(СОТ +5Г)(оот -ЭТ) («ОТ +2ЭГ)(ц)Т-25Г) '

передаваемого сигнала: 1, д » 1,м , минимаксное правило решения

и Г*

1 - аге шщ 2 ^Др^в^к)^"1

1 ■ 3-1 ■ К

?де рн( о ,9 ;К) - условная плотность вероятности наблюдаемого зектора й" , представленного в п-мерных сферических координатах звоей амплитудой р и (п-1) -мерным вектором углов 9 , при ус-ювии истинности гипотезы н^, означающей, что передавался сигнал Б.., а коэффициент усиления канала равен К.

Минимаксные асимптотически оптимальные алгоритмы различения шриорно равновероятных ортогональных или биортогональных сигна-юв с энергиями Е.^ , представленных в пространстве наблюдений ¡екторами si , различаемых на фоне аддитивного стационарного но-шального шума с нулевым средним, для случаев большого и малого >тношения сигнал/шум, а также алгоритм обобщенного максимального фавдоподобия при неизвестном коэффициенте усиления канала К, при иблюдаемом сигнале й , выражаются формулами (1), (2), (з) :

í = шах Л^/Е.^ ; (1)

1 = агй шах ; (2)

1

Л 1

аге шах И«31/\/ЁТ . - (3)

Рис. I

а рис. I приведена геометрическая интерпретация линий решения в лучае различения двух ортогональных сигналов', представляемых вумя ортогональными векторами Б,,, и Б2 , для трех перечисленных лгоритмов и алгоритма различения при известном коэффициенте успения канала: медиана (1) , высота (2) , биссектриса (3) и сере-

инкый перпендикуляр (4) в треугольнике

В^ОБз -

Синтезируется алгоритм различения в целом сигналов с АЧМ-С на фоне аддитивного нормального шума по критерию.минимума макс* мальной вероятности ошибки при изменении коэффициента усиления канала от 0 до бесконечности. Синтезированный алгоритм предста! ляет .собой алгоритм Витерби с глубиной анализа в 2 единичных т. тервала. Рассматриваются подоптималыше алгоритмы различения си налов с АЧМ, упрощающие цифровую реализацию..

Приводятся теоретические расчеты влияния на вероятность он бки для рассмотренных алгоритмов различения цифровых сигналов АЧМ линейных и нелинейных искажений, фазовых дрожаний и частотн расстройки, мультипликативных помех. Показано, что влиянием нел нейных искажений на помехоустойчивость различения двоичных сигн лов с АЧМ можно пренебречь. Получены выражения для допустимой в личины фазовых дрожаний и частотной расстройки, не приводящих заметному снижению помехоустойчивости, что необходимо при рассм трении устройств поэлементной синхронизации. Показано, что лине нне искажения в области верхних частот не приводят к заметно!« •снижению помехоустойчивости, если верхняя частота манипуляции н превышает трети верхней.частоты пропускания КМЗВ. Если верхняя частота манипуляции выше половины верхней частоты пропускания КМЗВ, то необходимо применение корректора линейных искажений, качестве которого для верхних частот манипуляции вплоть до тар ней частоты пропускания КМЗВ можно использовать фазовый коррект 1-го порядка. Оптимальным отношением амплитуд сигналов с АЧМ, п котором достигается максимальная плотность записи с учетом лине ных искажений, признается А^А£ = 2:1. Если отношение тактовой частоты к нижней частоте пропускания КМЗВ превышает 100, то лин йные иска-яения в области нижних частот не приводят к зачетному снижению помехоустойчивости. Подтвержден известный вывод о том, что основной источник ошибок в цифровой магнитной записи - выпа дения сигнала. Рассчитано распределение числа бит выпадений, пр ходящихся на единицу времени. Полученные кривые согласуются с и вестными экспериментальными данными.

Синтез устройства поэлементной синхрднизации производится •критерию минимума максимальной вероятности ошибки, для чего пр условии известного информационного параметра синтез устройств синхронизации проводится по критерию" максимума апостериорной щ тности вероятности. Цри эюм- применяется аппарат теории оптимал ной нелинейной фильтрации условных марковских процессов. Аддити

нал помеха считается белым шумом, а априорные сведения о флуктуа-циях фазы сигнала задаются системой линейных стохастических дифференциальных уравнений

У - + ауОО 5 ^ - + пл(Ю ,

где ( У (1;) - двумерный диффузионный процесс, п ^Съ) и

п ^С^ь) - независимые белые шумы, - постоянная времени, характеризующая инерционность дрейфа скорости движения МП. Точное решение рассматриваемой задачи описывается уравнением Стратоновича для апостериорной плотности вероятности флуктуаций фазы. Для получения решения з предположении высокой апостериорной точности фильтрации в установившемся режиме применяется метод текущей линеаризации в сочетании с гауссовой аппроксимацией апостериорной плотности вероятности флуктуаций фазы. Синтезированный алгоритм синхронизации для установившегося режима гши условии известного информационного параметра описывается системой дифференциальных уравнений для оценок текущей фазы и частоты полезного сигнала

4 Д - А

^ - + н 8 + ^ /2 ) ;

а а а

-О/р^) + к2 Н(1;>В<1:, у+ТГ/2) ,

где К^К2 ~ постоянные коэффициенты, E(t) - вектор входного сигнала, бО;, у +7Г/2) - вектор оценки, бигнала, сдвинутого на У!"/2. Полученный алгоритм реализуется в виде схемы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ ) 2-го порядка с пропорцзонально-интегри-рующим фильтром в'цепи управления. Приводится анализ работы синтезированного устройства синхронизации в условиях постоянного отклонения частоты, дрейфа частоты, периодических и хаотических колебаний частоты, а также при воздействии аддитивного иума в установившемся режиме на основе линеаризованной модели петли ФАПЧ. Производится оптимизация параметров петли ФАПЧ по критерию минимума максимальной фазовой ошибки. Рассчитано время вхождения в синхронизм.

Схема различения сигналов с АЧМ с устройством поэлементной синхронизации, оптимальная по критерию минимума максимальной вероятности ошибки, содержит несколько схем ФАПЧ: 2, 4 или 8, в- за-

висимости от индекса ЧМ и глубины анализа применяемого алгоритма различения. После вынесения решения об информационном символе происходит подстройка всех схем ФАПЧ в состояние, задаваемое той из схем ФАПЧ, которой соответствует принятое решение. Рассматриваются подоптимальные устройства поэлементной синхронизации, позволяющие существенно снизить сложность аппаратуры.

Имитационное моделирование процессов записи на Ш и воспроизведения цифровых сигналов с АЧМ подтвердило основные теоретические выводы второй главы диссертации.

В третьей главе выбирается метод цифрового, кодирования сигналов неподвижных изображений для записи на МЛ и исследуется ДИМ/ сигналов изображений с медианным предсказанием в условиях'отсутствия и наличия цифровых ошибок.

Показано, что для цифрового канала с высокой вероятностью ошибки и тенденцией ошибок к пакетированию, что характерно для канала, образованного на базе КМЗВ звукового магнитофона, кродее кодирования изображений без сокращения избыточности, т.е. методой ИКМ, в качестве метода кодирования можно предложить лишь ДИКМ с одномерным предсказанием и ДИКМ с двумерным медианным предсказанием. Последний метод обеспечивает более высокое качество восстановленных изображений.

Расположение элементов изображения, участвующих в предсказании, дай рассматриваемых в диссертации алгоритмов предсказания, показано на рис. 2. Предсказываемый элемент помечен крестиком. Цростейшие линейные двумерные алгоритмы предсказания состоят в вычислении полусуммы восстановленных значений яркости двух элементов изображения (см. рис. 2 а,б ). Цростейшие двумерные . неадаптивные медианные алгоритмы состоят в вычислении медианы восстановленных значений яркости четырех элементов изображения (см. рис. 2 в — з ). Под медианой четного числа элементов понимается полусумма двух средних по величине элементов. Адаптивный к контурам изображения немедианный алгоритм предсказания выбирает в качестве предсказанного значения восстановленное значение яркости одного-из четырех элементов изображения (см. рис. 2 и —м ).Адаптивный медианный алгоритм в качестве предсказанного•значения , выбирает медиану из трех восстановленных значений яркости для одно! из четырех троек элементов изображения (см. рис. 2 н — р ) . Под медианой нечетного числа элементов понимается средний по величине элемент. Медианные алгоритмы предсказания на всех часто встречаю-

о о оо оо э® о® оо® оо®

ООО о

о о о о

DO® ОО® ОО® ОО®

^ ° О о

о® ® ® ®

ООО ООО ООО ООО® ® ® "

О п р

Рис. 2

щихся участках реальных изображений ( участки с плавным изменением яркости и резкие контурные перепады ) дают практически то же предсказанное значение, что и соответствующие немедианные алгоритмы предсказания. Помехоустойчивость же медианных алгоритмов предсказания существенно выше, чем для немедианных алгоритмов. Так,-при медианном предсказании, одиночная ошибка, попавшая на участок изображения постоянной яркости, не вызывает образования на- восстановленном изображении трека ошибки, характерного для систем кодирования изображений с ДИКМ.

В диссертации найдены теоретические соотношения и расочитан средний квадрат ошибки( СКО ) предсказания для рассмотренных'алгоритмов. Показано, что для неадаптивных мешанных алгоритмов точность предсказания практически не уступает точности соответствующих линейных алгоритмов. Точность адаптивного к контурам медианного алгоритма существенно уступает точности немедианного контурного алгоритма, но примерно соответствует точности двумерных линейных алгоритмов и превышает ее для высокодетяталых изображений

Рассчитана средняя энергия трека ошибки"для рассмотренных алгоритмов'предсказания. Показано, что помехоустойчивость всех медианных алгоритмов к одиночным ошибкам существенно выше, чем для соответствующих немедианных алгоритмов. Допустимая вероятность ошибки при той же заметности треков ошибочных декодировали в системе кодирования изображений с ДИКМ может быть повышена, в зависимости от детальности изображения, по меньшей мере, на I— : порядка, если вместо немедианного алгоритма предсказания использовать соответствующий медианный алгоритм. Помехоустойчивость системы кодирования изображений с ДИКМ и медианным предсказанием приближается к помехоустойчивости системы с ИКМ. Помехоустойчивость к пакетирующимся ошибкам неадаптивных медианных алгоритмов предсказания, использующих для вычисления медианы значения элеме нтов трех строк изображения (см. рис. 2 д — з) , соответствует помехоустойчивости этих алгоритмов к одиночным ошибкам.

Моделирование на ЭВМ процесса передачи изображений методом ДИКМ с подсчётом СКО предсказания и энергий треков ошибок, а так же экспертная оценка качества восстановленных изображений, прове денная методом субъективных экспертиз, подтвердили теоретические выводы третьей главы диссертации.

В четвертой главе рассматриваются основные принципы циклоио синхронизации цифровых сигналов, выбирается способ введений син

хросигнала в цифровой сигнал неподвижных изображений, производится анализ работы устройств цикловой синхронизации цифровых сигналов неподвижных изображений и разрабатывается методика выбора состава синхрогрупп (СГ ), включаемых в цифровой сигнал неподвижных изображений для обеспечения цикловой синхронизации.

Обоснована целесообразность для обеспечения цикловой синхронизации введения в цифровой сигнал неподвижных изображений сосредоточенных СГ, расположенных в начале каждой строки изображения.

Показано, что время поиска синхронизма, равное нескольким циклам, характерное для устройств цикловой синхронизации, применяемых в многоканальных системах передачи телефонных; сигналов с ВРК-ИКМ, слишком велико для систем кодирования неподвижных изображений. Разработаны устройства цикловой синхронизации цифровых сигналов неподвижных изображений, восстанавливающие цикловой синхронизм при обнаружении первой СГ после сбоя синхронизации, но не выходящие из синхронизма при необнаружении СГ любое число раз подряд. Рассчитано распределение времени несинхронной работы после сбоя синхронизации в условиях наличия цифровых ошибок.

Разработанные устройства цикловой синхронизации не защищают от выхода из синхронизма из-за образования в цифровом сигнале ложных СГ. Поэтому требования к составу СГ, сформулированные в диссертационной работе, отличаются от обычных требований к составу СГ для многоканальных систем с ВРК-Ю1 и состоят, в следующем:

1. Невозможность образования ложных СГ в зоне информационного сигнала и в зоне перекрытия при отсутствии ошибок.

2. Минимизация вероятности образования ложных СГ в зоне информационного сигнала и в зоне'перекрытия в случае одиночных гкп пакетирующихся ошибок.

3. Минимизация длины СГ.

Для обеспечения первого требования из числа разрешенных для информационного сигнала изображения исключаются кодовые кохбпм.-ции, состоящие из всех нулей, а СГ содержит в своем составе дсппг-ную серию нулей, расположенную внутри СГ.

Получены теоретические выражения вероятности образования ложной СГ для зон информационного сигнала я перекрытия в случае воздействия одиночных и пакетирующихся ошибок. Разработана уегодвгн выбора состава СГ, удовлетворяющего перечисленным выше требованиям. Для иллюстрации применимости разработанной методики рассмотрен численный пример. Получена СГ ОНОШООООООООООООООООШОТОНО.

В пятой главе рассматривается разработанное при участии автора устройство передачи неподвижных телевизионных изображений с возможностью записи принимаемых изображений в цифровой форме на звуковой магнитофон, описывается методика и приводятся результаты экспериментальных испытаний устройства/

Основные результаты многочисленных экспериментов по записи на магнитную ленту цифровых сигналов, неподвижных изображений и их воспроизведению сводятся к следующему:

■'I. При записи и воспроизведении цифровых сигналов с использованием бытового кассетного звукового магнитофона 2-й группы сложности способ АЧМ-0',5 с отношением амплитуд сигналов, равным 2:1, обеспечивает надежную запись и воспроизведение при скоростях записи до 9,6 кбит/с, а в некоторых случаях и до 12 кбит/с, причем для скоростей записи выше 4,8 кбит/с необходимо использовать корректор линейных искажений, в качестве которого достаточно применить фазовый корректор 1-го порядка.

2. Все заметные ошибки и сбои цикловой синхронизации происходили в моменты полных выпадений сигнала, вызванных, чаще всего, дефектами магнитной ленты.

3. Удовлетворительное качество воспроизводимых изображений в случае наличия дефектов на МЛ обеспечивают методы кодирования изображений: ИКМ, а также ДИКМ с одномерным и медианным предсказанием. Дополнительная двумерная медианная фильтрация восстановленных' изображений позволяет приблизить качество полученных изображений к качеству исходных изображений.

4. Записанные на Ш изображения надежно восцроизводились через 5 — 6 лет хранения кассеты.

В приложениях приводятся таблицы, акты внедрения, распечатки программ и иллюстрации, выполненные на фотобумаге.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации предложены пути для уменьшения времени записи неподвижных изображений, представленных в цифровой форме, на аналоговый магнитофон. В ходе проведенных исследований получены следующие основные результаты:. г

I. Синтезирован алгоритм различения дискретных сигналов в условиях воздействия быстрых мультипликативных помех,-оптимальный по критерию минимума максимального байесовского риска при измене-

г

нии коэффициента усиления канала от 0 до бесконечности.

2. При кодировании изображений методом ДИКМ степень сокращения избыточности одинакова Для известных двумерных линейных алго-эитмов и медианных алгоритмов предсказания, в то время как .помехоустойчивость медианных алгоритмов к одиночным и пакетирующимся щфровым ошибкам в десятки и сотни раз выше, чем для линейных алгоритмов предсказания.

3. Разработана методика выбора состава синхрогрупп, вводимых I цифровой сигнал неподвижных изображений для обеспечения цикло-юй синхронизации. •

4. Основные теоретические выводы диссертации нашли реализа-ию в экспериментальном и опытных образцах аппаратуры ПНТИ и под-верждены в ходе экспериментальных исследований этой аппаратуры. ■

Отметим, что некоторые результаты диссертационной работы вводят за рамки' узкой темы, вынесенной в название Диссертации.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах;

I

1. Коваленко А-.М., Копылов Д.А., Райхельсон М.К. Передача гподвижных телевизионных изображенпй//Электросвязь, 1387*. -12. - С. 13 - 16.

2. Астапкозич К.Ф., Егоров В.А., Захаров И.И., Копылов Д.А. ¡редатчик УПС для цифрового факсимильного аппарата/'/Электросвязь, «9. - № I. - С. 25 - 30.

3. Копылов Д.А., Лопатин С.И. Алгоритм различения дискретных сгналов с частотной манипуляцией без разрыва фазы//Рациотехника, 189., - Ц-2. - С. 3 - 6.

4. Копылов Д.А. Минимаксное различение сигналов с неизвест-й амплитудой//Радиотехника, 1991. - Л 8. - С. 37 - 38.

5. Копылов Д.А., Райхельсон М.К. Медианное предсказание в КМ кодере изображений//Электросвязь, 1992. - № 9. - С. 27 - 29.

6. Копылов Д.А. Минимаксное различение сигналов с неизвест-й амплитудой/УДеп.. в ЦНГИ "Информсвязь", М 1760. - М.., 1991. -

с. /

7. Копылов Д.А., Лопатин С.И. Прием в целом • сигналов с ЧМ з разрыва фазы//Тезисы докладов Всесоюзной НТК "Современные зблемы радиоэлектроники". - М., 1988. - С. 51.

8. Копылов Д.А., Райхельсон М.К. Передача изображений мето-« ДИКМ с,медианным предсказанием//Тезисы 45-й НТК ЭИС. - СПб,

Т992. - С. 3.

9. Копылов Д.А., Райхельсон М.К. Дифференциальная импульсн -кодовая модуляция сигналов изображений с 'медианным предсказана //Тезисы докладов. Всесоюзной НТК "Проблемы и перспективы развит телевидения". - СПб, 1991. - С. 12-13.

10. Копылов Д.А. Цикловая синхронизация в цифровых система передачи-неподвижных изображений//Тезисы докладов 45-й НТК ЭИС - СЮ, 1992. - С. 7.

11. Копылов Д.А. Црием дискретных сигналов с неизвестной £ цлитудо|//Тезисы докладов 45-й НТК ЭИС. - СПб, 1992. -С. .7 -

12? A.c. 1304062 СССР, 4 G II В 5/09. Устройство для магет ной записи, цифровой ищ&ормации/Райхельсон М.К., Копылов Д.А.

13. A.c. 1332562 СССР, 4 Н 04 N 7/137, 5/93. Устройство формирования сигнала отсчета для.дифференциального кодера изобт жений/Копылов Д.А., Райхельсон М.К.

14. A.c. I6I7654 СССР', 5 Н 04 ь 2^/14. Устройство для прие двоичных частотно-манилулированных -сигналов/Державина B.B., Kol лов Д.А., Лопатин С.И.

15. A.c. I653I78 СССР, 5 Н04 N 7/1371 Устройство формироз ния сигнала отсчета для дифференциального кодера изображений/ I пылов Д.А., -Райхельсон М.К.

16. A.c. 1672579 СССР, 5 Н 04 L 7/08. Устройство синхрони: ции по циклам/Ко пылов Д.А.

Подписано к печати 29. о*/.93 г. 0<5ъеы 1,0 п.л. Тираж-60 экз; Бесплатно. Заказ 3 30

Типография ЭИС, 198320, С-Петербург, Свободы, 31.