Исследование и разработка методов и устройств формирования сигналов цветного телевидения в системах со сжатием видеоинформации тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.17, кандидат технических наук Као Хоанг Ха

• Као Хоанг Ха
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Као Хоанг Ха

т ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ ФОРМИРОВАНИЯ ВИДЕОСИГНАЛА В ОДНО-МАТРИЧНОЙ ЦВЕТНОЙ ТВ КАМЕРЕ.

1.1. Принцип работы и технология построения современных преобразователей свет-сигнал.

1.2. Цифровой формат представления видеосигнала DV.

1.3. Методы кодирования видеосигнала и выбор структуры цветокодирующих светофильтров.

1.3.1. Метод последовательного кодирования видеосигнала основными цветами

1.3.2. Метод одновременного кодирования видеосигнала основными и дополнительными цветами.

1.3.2.1. Полосковые цветокодирующие светофильтры.

1.3.2.2. Мозаичные цветокодирующие светофильтры.

1.3.3. Способы разделения сигналов цветов и выбор структуры светофильтра.

1.3.4. Анализ микросмещений светового потока относительно ячеек светофильтра.

1.4. Частотно-контрастные характеристики оптических фильтров низких пространственных частот, применяемых в оптическом звене ОЦТВ камеры на ПЗС.

1.5. Выводы.

2 ДИСКРЕТИЗАЦИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ В ОДНОМАТРИЧ

НОЙ ЦВЕТНОЙ ТВ КАМЕРЕ.

If 2.1 Анализ дискретизирующей функции при одномерной дополнительной дискретизации.

2.2. Преобразование видеоинформации в сигнал.

2.3. Принципы построения и анализа структур дискретизации телевизионных изображений в одноматричной цветной камере.

2.3.1. Анализ характеристик спектра ортогональных структур квазипериодической дискретизации в системах телевидения.

2.3.2. Анализ характеристик спектра дискретизирован-ного изображения при ортогональной структуре дискретизации в системах телевидения.

2.4. Анализ характеристик спектров неортогональных структур дискретизации телевизионных изображений.

2.4.1. Анализ характеристик пространственного спектра структуры дискретизации шахматного типа.

2.4.2. Анализ характеристик пространственного спектра структуры дискретизации, определяемой расположением ячеек светофильтра.

2.5. Выводы.

3. АНАЛИЗ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ОТСЧЕТОВ ВИДЕОСИГНАЛА В ОДНОМАТРИЧНОЙ ЦВЕТНОЙ ТВ КАМЕРЕ.

3.1. Анализ идеального восстановления видеосигнала при доа, полнительной дискретизации.

3.1.1. Восстановление сигнала, дискретизированного по группам смежных отсчетов.

3.1.2 Восстановление пропущенных отсчетов сигнала.

3.2. Анализ реального восстановления пропущенных отсчетов видеосигнала.

3.2.1. Аппроксимация функций, определенных в дискретных точках, с помощью алгебраических многочленов

3.2.1.1. Аппроксимация функций с помощью алгебраических интерполяционных полиномов.

3.2.1.2. Применение сплайнов при аппроксимации функций.

3.2.2. Анализ одномерного восстановления видеосигнала с помощью интерполяционных методов.

3.3. Выводы.

4 РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВА ФОРМИРОВАНИЯ ВИДЕОСИГНАЛА ДЛЯ ОДНОМАТРИЧНОЙ ЦВЕТНОЙ ТЕЛЕВИЗИОННОЙ КАМЕРЫ.

4.1. Разработка алгоритма многомерного пространственно-адаптивного восстановления изображения.

4.2. Разработка пакета программ для моделирования на ЭВМ многомерного адаптивного восстановления изображения.

4.3. Разработка одноматричной цветной ТВ камеры с использованием предложенного метода многомерного простран-ственно-адашивного восстановления.

4.4. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка методов и устройств формирования сигналов цветного телевидения в системах со сжатием видеоинформации»

В настоящее время, благодаря новым технологиям, видеокаме-Ф ры переходят в разряд массовых потребительских устройств. Интенсивные исследования в области разработки методов формирования сигналов цветного телевидения (ЦТ) привели к созданию малогабаритных цветных камер, использующих одну или две матрицы преобразователей свет-сигнал (МПСС). Оборудование новых форматов DV (Digital Video) надежнее, компактнее и легче своих аналоговых предшественников. Обработку изображений в видеокамерах цифрового типа реализуют цифровыми методами (DSP - Digital Signal Processing). Применение современных МПСС в камерах ЦТ позволяет снизить габариты, массу, энергопотребление камер, упростить эксплуатацию и увеличить срок их службы.

Наиболее высокие качественные показатели ТВ изображений ^ обеспечивают в трехматричных и двухматричных вариантах цветных телевизионных (ЦТВ) камер. Однако применение подобных вариантов связано с резким усложнением оптической системы, необходимостью совмещения растров, и др. Одноматричные ЦТВ (ОЦТВ) камеры более дешевы, но имеют меньшую разрешающую способность и меньшую насыщенность цветного изображения.

Поэтому задача разработки ОЦТВ камер с высокими качественными показателями ТВ изображений является весьма актуальной.

Использование в современных видеокамерах цифровых методов обработки изображений позволяет применять для разработки ОЦТВ камер все последние достижения в области сжатия спектра видеосиг-^ нала, отраженные в работах известных отечественных и зарубежных ученых: Аванесова Г. А., Безрукова В.Н., Катаева С.И., Красильникова Н.И., Кривошеева М.И., Селиванова А.С.,

Цуккермана И.И., Ахмеда Н., Прэтта У., Pao К.Р., Хуанга Т.С., Чэна Ш.К. и др.

Ф Одним из перспективных направлений проводимых исследований в этой области является разработка новых способов формирования сигналов цветовых составляющих с использованием методов интерполяции и микросмещения светового потока. Исследования таких методов, проведенные в НИЧ МТУ СИ (НИЛ-11), показали возможность увеличивать разрешающую способность и отношение сигнал/шум в ЦТВ камерах на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС). Представленная диссертационная работа посвящена продолжению исследований, направленных на развитие методов формирования с комплексной реставрацией составляющих ТВ изображений по пространственному, спектральному и временному признакам.

Цель и задачи работы. Целью работы является анализ и разработка эффективных методов и устройств улучшения качества ТВ изображения, формируемого ОЦТВ камерой на ПЗС с дополнительной дискретизацией видеосигналов. Задачами исследований являются:

- анализ известных методов формирования сигналов цветовых составляющих в ОЦТВ камерах и разработка методов, обеспечивающих решение задачи создания ОЦТВ камер на ПЗС на основе использования дополнительной дискретизации и микросмещений светового потока;

- исследование важнейших функциональных элементов ЦТВ камеры;

- исследование характеристик дискретизации изображений структурами распределения ячеек светофильтров (СФ) в пространстве

ПЗС матрицы;

- исследование дополнительной дискретизации и восстановления видеосигнала различными методами интерполяции;

Ф - разработка многомерного пространственно-адаптивного

МПА) метода восстановления видеосигнала;

- проведение машинного моделирования и оценки эффективности разработанных в диссертации способа и устройства формирования видеосигнала.

Методы исследования. В работе используются методы функционального, численного анализа, теории дискретизации и цифровой обработки сигналов, а также методы моделирования на ЭВМ.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- получены аналитические выражения для расчета характеристик спектра структуры дискретизации, соответствующей расположению ячеек СФ, с учетом реальных ограничений протяженности мно-гомернои структуры дискретизации в пространстве растра, на основе результатов анализа которых обосновано использование шахматного распределения ячеек (групп элементов) дискретизации;

- разработан и исследован новый МПА метод восстановления сигналов цветовых составляющих при формировании сигналов ЦТ в ОЦТВ камере на ПЗС, позволяющий увеличить разрешающую способность соответствующего ТВ изображения;

- предложена структура мозаичного СФ, обеспечивающая возможность восстановления сигналов цветовых составляющих;

- предложена схема фильтра-интерполятора с применением локального сплайна пятой степени дефекта три для восстановления дискретных отсчетов сигнала в реальном масштабе времени и реализована модель для оценки эффективности её действия (качества восстановленного изображения).

Практическая ценность работы состоит в следующем:

- разработана для ОЦТВ камер на ПЗС структура СФ, обеспечивающего увеличение эффективности МПА метода восстановления отсчетов сигналов цветовых составляющих;

- разработан алгоритм МПА восстановления отсчетов при формировании сигналов ЦТ в ОЦТВ камерах, который позволил увеличить разрешающую способность сформированных ТВ изображений;

- разработано программное обеспечение на ЭВМ для моделирования МПА метода восстановления отсчетов сигналов цветовых составляющих.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы обсуждались на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава МТУ СИ в 1997 - 2000 г.г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано всего 7 работ, в том числе 3 статьи и 4 доклада на научных конференциях МТУ СИ; материалы работы использованы также в отчетах по НИР по Программе фундаментальных и прикладных исследований вузов связи Российской Федерации "Фундаментальные аспекты новых информационных и ресурсосберегающих технологий" (шифр - "Аспект-МТУСИ").

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения. Работа содержит 147 страниц, в том числе 114 страниц текста, 39 рисунков и 2 таблицы. Список литературы включает 72 наименования.

Заключение диссертации по теме «Радиотехнические и телевизионные системы и устройства», Као Хоанг Ха

Результаты работы внедрены в НИЧ МТУ СИ по результатам НИР "Разработка метода селекции и формирования сигналов управления для систем сжатия с раздельным адаптивным кодированием участков и составляющих телевизионных изображений в пределах динамического диапазона" по Программе фундаментальных и прикладных исследований вузов связи Российской Федерации "Фундаментальные аспекты новых информационных и ресурсосберегающих технологий" (шифр - "Аспект-МТУСИ"), что подтверждается, соответствующим актом о внедрении.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ х,уДД - текущие координаты в реальном пространстве анализа: х - текущая координата горизонтального направления в плоскости, ортогональной оптической оси системы телевидения; у - текущая координата вертикального направления в плоскости, ортогональной оптической оси системы телевидения; X - текущая координата дайны волны электромагнитного излучения; озх,соу,со - текущие координаты в сопряженном (реальному) пространстве анализа: сох - пространственная частота (периоды/градус), соответствующая горизонтальному направлению в пространстве анализа; соу - пространственная частота (период/градус), соответствующая вертикальному направлению в пространстве анализа; со - частота (период/с), соответствующая оси времени в пространстве анализа; s(x,y,t) - трехмерная функция, соответствующая потоку изображений в пространстве анализа;

S(cox,coy,co) - трехмерный пространственно-временной спектр, соответствующий потоку изображений; d(t,Tn)- одномерная дискретизирующая функция, представленная суммой смещенных дельта-функций;

D(co,Qn)- одномерный спектр, соответствующий дискретизирующей функции; p(t, М, N, Тп) - прореживающе-выделяющая функция; d(x, у, t, А,) - четырехмерная функция дискретизации, учитывающая ограничение протяженности потока изображений в пространстве анализа;

D(cox, юу, (о, v) - четьфехмерный пространственно-временной спектр, соответствующий дискретизирующей функции; F [.] - преобразование Фурье; б(.) - дельта функция; rect(.) - функция типа "прямоугольный импульс"; sm

С.). sinс(.)-функциятипа ^ ^ ,

D(.) - функция ядер Дирихле.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ АББРЕВИАТУР

ТВ - телевизионные;

ЦТВ - цветные телевизионные;

ЦТ - цветное телевидение;

ОЦТВ - одноматричные цветные телевизионные;

ОС - оптическая система;

ПЗУ - постоянное запоминающее устройство;

ФЭ - фоточувствительные элементы;

СФ - светофильтр;

ПЗС - приборы с зарядовой связью;

ПСС - преобразователь свет-сигнал;

МПСС - матричный ПСС;

СП - строчный перенос;

КП - кадровый перенос;

СКП - строчно-кадровый перенос;

СВХ - схемы выборки и хранения;

ЭВМ - электронно-вычислительная машина;

DV - digital video;

DSP - digital signal processing;

CMOS - complementary metal-oxide-semiconductor; APS - active pixel sensor.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Анализ многомерного пространственно-адаптивного метода восстановления видеосигнала с использованием предложенной структуры СФ и микросмещений светового потока показал возможность построения ОЦТВ камеры с улучшенным качеством ТВ изображения.

Предложенные методы и устройства позволяют создавать ОЦТВ камеры на МПСС различного назначения с качеством изображений, сравнимым с качеством трехматричного варианта.

Разработанный многомерный пространственно-адаптивный метод восстановления может быть успешно использован и в других системах сжатия видеоинформации.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Као Хоанг Ха, 2000 год

1. Прэтт У. Цифровая обработка изображений. Пер. с англ./ Под ред. Д.С.Лебедева. М.: Мир, 1982, Кн.1. - 310 е., кн.2. - 480 с.

2. Птачек М. Цифровое телевидение. Теория и техника. Пер. с чешского/ Под ред. Л.С.Вилинчика. М.: Радио и связь, 1990.- 527 с.

3. Игнатьев Н.К. Дискретизация и ее применение. М.: Связь, 1980. -235с.

4. Квиринг Г.Ю. Прикладное телевидение: Учебное пособие/ МИС. -М. ,1989. С.90.

5. Таджибаев Ш.З. Телевизионные устройства на твердотельных фотопреобразователях. Ташкент: Фан, 1986. - 130 с.

6. Колмогоров А.Н., Фомин С.В. Элементы теории функций и функционального анализа. М.: Наука, 1989. - 624 с.

7. Гольденберг Л.М., Матюшкин Б.Д., Поляк М.Н. Цифровая обработка сигналов: Справочник/ М.: Радио и связь, 1985. - 312 с.

8. Яншин В.В., Калинин Г.А. Обработка изображений на языке Си для ЮМ PC: Алгоритмы и программы. М.: Мир, 1994. - 240 с.

9. Крис Паппас, Уильям Мюррэй Visual С++. Руководство для профессионалов: пер. с англ. Спб.: BHV - Санкт-Петербург, 1996. -912 с.

10. Ю.Секен К., Томпсет М. Приборы с переносом заряда. Пер. с англ./ Под ред. В.В.Поспелова и Р.А. Сурина. М.: Мир, 1978. - 327 с.

11. Приборы с зарядовой связью/ Под ред. М.Хоувза, Д.Моргана: Пер. с англ.- М.:Энергоиздат, 1981. 318 с.

12. Миленин Н.К. Современные камеры цветного телевидения на матрицах ПЗС/ Техника кино и телевидения.- 1993.- №1.- с. 23-29.

13. Зубарев Ю.Б., Сагдуллаев Ю.С. Спектральная селекция оптических изображений. Ташкент: Фан, 1987. 108 с.

14. Быков Р.Е. Теоретические основы телевидения. СПб.: Лань, 1998. - 288 с.

15. Афанасьев А.П., Ваниев А.Г. Бытовые видеокамеры.- М.: Радио и связь, 1993,- 232 с.

16. Цифровое кодирование телевизионных изображений/ Под ред. Цуккермана И.И. М.: Радио и связь, 1981. - 240 с.

17. Радиотехнические цепи и сигналы/ Под ред. К.А.Самойло. М.: Радио и связь, 1982. - 528 с.

18. Телевидение/ Под ред. Джаконии В.Е. М.: Радио и связь, 2000. -640 с.

19. Справочник по специальным функциям с формулами, графиками и математическими таблицами/ Под ред. Абрамовица М. и Сти-гана И. Пер. с англ./ Под ред. В.А.Диткина и Л.Н.Кармазиной. -М.: Наука, 1979. 830 с.

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

21. Хромов А.И., Лебедев Н.В., Цыцулин А.К., Куликов А.Н. Твердотельное телевидение. Телевизионные системы с переменными параметрами на ПЗС и микропроцессорах. М.: Радио и связь, 1986. - 184 с.

22. Даджион Д., Мерсеро Р. Цифровая обработка многомерных сигналов. Пер. с англ./ Под ред. Л.П.Ярославского.- М.: Мир, 1988.489 с.

23. Васильев Ф.П. Численные методы решения экстремальных задач.- М.: Наука. 1988.- 549 с.

24. Василенко Г.И., Тараторрин А.М. Восстановление изображений. М.: Радио и связь, 1986. - 302 с.

25. Акаев А.А., Майоров С.А. Оптические методы обработки информации.- М.: Высшая школа, 1988.- 237 с.

26. Быстрые алгоритмы в цифровой обработке изображений/ Под ред. Хуанга Т.С. Пер.с англ./ Под ред. Л.П.Ярославского М.: Радио и связь, 1984. - 221 с.

27. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Сов. радио, 1977. - 608 с.

28. Миленин Н.К. Современные матричные преобразователи свет-сигнал и камеры ЦТ на их основе/ Техника кино и телевидения,-1985.- №12.- с. 56-61.

29. А.с. 1211892 СССР. Способ формирования телевизионного сигнала цветного изображения и устройство для реализации/Безруков В.Н.- Опубл. 1987, Бюлл. N11.

30. А.с. 1100754 СССР. Способ формирования телевизионного сигнала/Безруков В.Н.- Опубл. 1984, Бюлл. N24.

31. Тараников О. Технологии цифровой фотографии/ Компьютер пресс,- 1997.-Ш2.- с. 296-302.

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

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

34. Безруков В.Н. Принципы построения и анализа характеристик спектра структур дискретизации телевизионных изображений// Техника кино и телевидения.- 1989.- N7,- с. 7-23.

35. Нгуен Т.Б. Исследование методов и разработка устройств адаптивной дискретизации сигнала изображения в телевизионных системах уплотнения: Дис. канд.техн.наук.- М.: МТУСИ, 1994. 204 с.

36. А.с. 1443208 СССР. Датчик сигналов цветного телевидения/ Безруков В.Н., Головенкин И.А., Кулагин П.А.- Опубл. 1988, Бюлл. №45.

37. Безруков В.Н., Жданов В.В. Методы передачи ТВ сигналов с дополнительной дискретизацией/ Электросвязь.- 1982.- №3. - с. 1115.

38. Телевизионные передающие камеры/ Петропавловский В.А., Постникова JI.H., Хесин А.Я., Штейнберг А.Л. М.: Радио и связь, 1988.-304 с.

39. Хеминг Р.В. Численные методы.- М.: Наука, 1972,- 400 с.

40. Завьялов Ю.С., Квасов Б.Н., Мирошниченко B.JI. Методы сплайн функций.- М.: Наука, 1980.- 352 с.

41. Пат. №4153912 (США). Способ и устройство для улучшения разрешающей способности ЦТВ камеры на ПЗС/ Голд Наткан.

42. Хургин Я.И., Яковлев Б.П. Финитные функции в физике и технике.- М.: Наука, 1971.- 408 с.

43. Рабинер Л., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов: Пер. с англ./ Под ред. Ю.М.Александрова.- М.: Мир. 1978. 848 с.

44. Бушанский Ф.Р., Миленин Н.К. Полностью полупроводниковые телевизионные камеры/ Техника кино и телевидения. 1984. - №8. - с. 60-66.

45. Миленин Н.К. Цветные ТВ камеры на твердотельных формирователях сигналов изображения/ Техника кино и телевидения. 1983. -№3. - с. 56-65.

46. Макаренко А.А., Выбор метода интерполяции для цифровой обработки изображений/ Техника средств связи. Сер. Техника телевидения. -1983. -Вып. 1. с. 47-55.

47. А.с. 1525943 (СССР). Устройство адаптивного восстановления ТВ сигнала/ Кулагин П.А. Опубл. 1989, Бюлл. № 44.

48. Джерри А.Дж. Теорема отсчетов Шеннона, ее различные обобщения и приложения. Обзор// ТИИЭР. -1977. -т.65. -№11. с. 53-89.

49. Харкевич А.А., Спектры и анализ.- М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1962.- 236 с.

50. Отакэ Ю. Новый оптический фильтр низких частот для однотру-бочных камер ЦТ. Тэрэбидзен, 1985, т.39, №8, с. 711-718.

51. Otake Y. Television camera having an optical filter. United state patent, 1985, No 4539584, u.s.ce 358/44.

52. De Palma J.J., Lowry E.M. Sine-Wave Response of the visual system. П. Sine-Wave and Square-Wave contrast Sensitivity. - J. Opt. Soc. Am., 1962, 52, N3, p.328-335.

53. Shade O.H. Image gradation, graininess and Sharpness in television and motion picture systems.- SMPTE J., 1952, 56, N3.

54. Зубарев Ю.Б., Глориозов Г.Л. Телевизионная техника: Справочник/ М.: Радио и связь, 1994. 312 с.

55. Обработка изображений и цифровая фильтрация/ Под ред. Хуан-га Т.С./ Пер. с англ.- М.: Мир, 1979. 318 с.

56. Певзнер Б.М. Качество цветных телевизионных изображений.-М.: Радио и связь, 1998,- 2-е изд., доп. И перераб. 224 с.

57. Чэн Ш.К. Принципы проектирования систем визуальной информации/ Пер. с анг М.: Мир, 1994. - 408 с.

58. Смит Дж.М. Математическое и цифровое моделирование для инженеров и исследователей/ Пер. с анг М.: Машиностроение, 1980. -271 с.

59. Ахмед Н., Pao К.Р. Ортогональные преобразования при обработке цифровых сигналов: Пер. с англ./ Под ред. И.Б. Фоменко.- М.: Связь, 1980. 248 с.

60. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов 13-е изд., исправленное.- М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1986. - 544 с.

61. Справочник по специальным функциям с формулами, графиками и математическими таблицами/ Под ред. М.Абрамовица и И.Стиган/ Пер. с англ./ Под ред. В.А.Диткина и Л.Н.Кармазиной,-М.: Наука, 1979. 830 с.

62. Романовский П.И. Ряды Фурье. Теория поля. Аналитические и специальные функции. Преобразование Лапласа.- М.: Наука, 1980. -336 с.

63. Riley M.J., Richardson E.G. Digital video communications/ Artech house, Inc., 1997.

64. Adam J. Wilt. October 1999, The Digital Video Exposition & Conference (http://www.adamwilt.comV

65. IEC 61883-1, First edition 1998-02, Consumer audio/video equipment- Digital interface Part 1: General.

66. IEC 61883-2, First edition 1998-02, Consumer audio/video equipment- Digital interface Part 2: SD-DVCR data transmission.

67. IEC 61883-3, First edition 1998-02, Consumer audio/video equipment- Digital interface Part 3: HD-DVCR data transmission.

68. IEC 61883-4, First edition 1998-02, Consumer audio/video equipment- Digital interface Part 4: MPEG2-TS data transmission.

69. ШС 61883-5, First edition 1998-02, Consumer audio/video equipment Digital interface - Part 5: SDL-DVCR data transmission.

70. ШС 61834-5, First edition 1998-08, Recording Helical-scan digital video cassette recording system using 6,35 mm magnetic tape for consumer use (525-60, 625-50, 1125-60 and 1250-50 systems) - Part 5: The character information system.

71. ETS 300 468, October 1995, Digital broadcasting systems for television, sound and data services; Specification for Service Information (SI) in Digital Video Broadcasting (DVB) systems.

72. Sony (http://www.sony.com), IEEE 1394 New Interface for the Digital Network Age, White Page.к