SU120534A1 - Способ анализа и синтеза телевизионного изображени - Google Patents

Description

где / - врем ; х и у - координаты точки плоскости фотокатода; В (x,y,t) - функци  ра,спределени   ркости в изображении на фотокатоде или функци  распределени  зар дов на мишени трубки; 1(х-х.„ ) ()-функци  распределени  «прозрачности анализирующей эпертуры; Ха к у а -координаты центра апертуры.

При этом анализ изображени  осуществл етс  одной апертурой, имеющей положительную функцию прозрачности, симметричную относительно аси апертуры. За пределами некоторой площадки, построенной па так называемом «эффективном диаметре аперт фы, величина прозрачности быстро убывает до нул . С точки зрени  двумерного преобразо1вани  Фурье така  апертура образует двумерный фильтр так называемой пространственной частоты. Увеличение размеров апертуры приведет к исчезновению деталей, размеры которых меньше эффективного диаметра апертуры, и, соответственно, к увеличению нерезкости контрастных границ, что эквивалентно сокращению полосы пропускани  двумерного фильтра. Эффективный диаметр апертуры определ ет количество элементов изображени  и размер одного элемента.

№ 120534

В технике телевидени  известны также у1стройства, с помощью которых можно раздел ть видеосигнал электрическими фильтрами на не|Сколько каналов, с целью учесть свойства зрени  путем использовани  в каждом канале различного числа ступенек квантовани , а также различной скорости смены кадров. Однако разделение электрическими фильтрами сигнала, полученного одной анализирующей апертурой, позвол ет учесть размер деталей только в одном измерении - вдоль направлени  развертки, что  вл етс  общим недостатком дл  всех известных способов получени  телевизионного сигнала.

В предлагаемом способе анализа и синтеза телевизионного изображени  учитываетс  размер деталей в двух измерени х, что позвол ет путем более полного учета особенностей зрительного воспри ти  повысить экономичность телевизионных систем, передавать телевизионные сообщени  по каналам с уменьшенной пропускной способностью без заметного ухудшени  качества, упростить процессы записи и воспроизведени  телевизионного сигнала. Согласно изобретению, передаваемое сообщение , т. е. телевизионное изображение B(x,y,t) подвергаетс  одновременному воздействию нескольких отличаюшихс  друг от друга анализирующих апертур, которые могут иметь как участки с «положительной прозрачностью , так и участки с «отрицательной прозрачностью. Совокупность таких апертур позвол ет выделить на разных выходах анализатора сигналы, несущие информацию о детал х различной величины, а вместе с тем, конечно, и о соответствующих градаци х четкости контурных очертаний переходов при передаче контрастных границ.

С точки зрени  двумерного преобразовани  Фурье совокупность указанных апертур составл ет группу двумерных фильтров так называемой пространственной частоты. Размер элемента изображени , полученного после синтеза, определ етс  апертурой, равной .сумме функций распределени  отдельных апертур. Наибольша  апертура имеет положительную прозрачность и представл ет собой двумерный фильтр низкой частоты . Сигнал, создаваемый этой апертурой, позвол ет построить изобра кение , соответствующее дефокусированному исходному изображению. При этом число эффективно различимых элементов изображени  уменьшаетс  пропорционально квадрату эффективного диаметра апертуры. Апертуры, обладающие участками положительной и отрицательной прозрачности можно рассматривать как результат вычитани  двух апертур с разными эффективными диаметрами, с совмещенными ос ми и с равными «объемами функции распределени . С точки зрени  двумерного преобразовани  Фурье така  апертура представл ет собой некоторый двумерный полосовой фильтр пространственной частоты, границами полосы пропускани  которого  вл ютс  характеристики двумерных фильтров низкой частоты, образовавших данный полосовой фильтр. Верхней границей полосы пропускани   вл етс  характеристика фильтра с меньшим эффективным диаметром апертуры, а нижней границей  вл етс  характеристика с большим эффективным диаметром. Реакци  полосового фильтра на некоторое изображение соответствует разности реакций двумерных фильтров,  вл ющихс  его границами, подобно тому как реакцию обычного одномерного электрического фильтра можно представить в виде разности реакций двух электрических фильтров низкой частоты.

Дл  достижени  требуемой точности анализа и синтеза необходимо обеспечить правильпое примыкапие пропускани  двумерных фильтров. Другими словами, верхн   граница полосы пропускани  одного фильтра должна с достаточной точностью соответствовать нижней границе полосы пропускани  соседнего фильтра. При этом функции распределени  апертур, осуществл ющих анализ исходного изоЕЗражени , в

сумме образуют апертуру, функци  распределени  и эффективный диаметр которой были заданы при выборе стандарта четкости телевизионной системы. Четкость синтезированного изображени  при выполнении услови  правильного примыкани  соответствует четкости, обеспечиваемой обычным способом анализа и синтеза изображени  одной апертурой с таким же эффективным диаметром.

Ввиду тото, что анализ изображени  ведетс  одновременно несколькими апертурами, выполн ющими функции двумерных фильтров, исходное изобра кение создает одновременно несколько сигналов. Несущих информацию о детал х различной величины, причем при разделении информации размеры деталей учтены в двух измерени х. Это позвол ет более правильно выбрать необходимую точность воспроизведени  путем более полного использовани  особенностей зрительного воспри ти .

При обработке указанных сигналов предусматриваетс  не только известный прием квантовани  отдельных сигналов на разное число уровней , использующий особенности контрастной чувствительности зрени , но также использование инерционности зрени  путем применени  квантовани  с переменными по времени  порогами.

Этот прием позвол ет при заданном числе ступенек квантовани  улучщить качество, уменьщив вли ние щума квантовани , или при заданном качестве уменьщить число ступенек квантовани  и сократить объем татевизионного сигнала. Наличие значительной усредн ю.щей способности зрени  подтверждаетс , например, черезстрочной системой развертки, методами введени  поднесущей и др. Использование переменных порогов квантовани  позвол ет достигнуть большей экономичности в сравнении с методом введени  поднесущей или методом точечного перемежени  при меньшем ущербе дл  качества изображени .

Предлагаемое использование порогов квантовани , положение которых мен етс  в процессе передачи по oпpeдeлeннoJмy закону, известному на приемном конце, пригодно, конечно, и дл  других способов образовани  телевизионного сигнала.

Применение двумерной фильтрации позвол ет использовать более простые запоминающие устройства, ибо в канале мелких деталей во многих случа х окажетс  достаточным различение всего двух дискретных уровней, а наиболее точное воспроизведение полутонов потребуетс  в канале с наиболее крупными детал ми, где от запоминающего устройства не потребуетс  высока  разрещающа  способность. При обычных способах образовани  телевизионного сигнала дл  кодировани  требуютс  запоминающие устройства, имеющие как высокую разрещающую способность , так одновременно и точное воспроизведение полутонов. Таким образом, дву1мерна  фильтраци  позвол ет облегчить не только процессы сокращени  физиологической избыточности, но и процессы сокращени  статистической избыточности, благодар  возможности использовани  упрощенных запоминающих устройств. Двумерна  фильтраци  позвол ет выбрать дл  сигналов, создаваемых разными апертурами, различные способы статистического кодировани , а также позвол ет, кроме известных, использовать новые, специфические способы сокращени  избыточности, основанные на св з х между сигналами, создаваемыми ра.ными апертурами.

Преимущества двумерной фильтрации не ограничиваютс  экономичными системами телевидени . Двумерный полосовой фильтр способен рещать задачу выделени  слабых звезд в астрономической оптике. Двумерные фильтры в сочетании с матричными схемами могут существенно улучщить методы «маскировани , примен емые в кинотехнике дл  цветокоррекции.

№ 120534

120534

На фиг. 1 показана скелетна  схема устройства, работающего в соответствии с предлагаемым способом анализа и синтеза телевизионного изображени ; на фиг. 2, 3, 4 по сн етс  работа некоторых блоков скелетной схемы.

Исходное изображение после оптического расщеплени  в блоке / проектируетс  на фотокатоды нескольких телевизионных передающих трубок. В частном случае, па фиг. 1 показаны четыре трубки: 2, 3, 4 и 5. В каждой трубке анализ изображени  ведетс  одной апертурой, причем эффективные диаметры апертур последовательно нарастают от блока трубки 2 до блока трубки 5. Количество эффективно различимых элементов изображени  сокращаетс  последовательно от блока трубки 2 до блока трубки 5, так как число эффективно различимых элементов обратно пропорциональпо квадрату эффективного диаметра апертуры.

Использование нескольких апертур создает возможность пезависимого выбора системы развертки и частоты смены кадров, что облегчает использование особенностей контрастной чувствительности и инерпионности зрени  дл  сокращени  объема телевизионного сигнала.

Сигнал, образованный передающей трубкой 2, подаетс  в устройство дл  формировани  реакции двумерного полосового фильтра 6. Это устройство вместе с передающей трубкой 2 образует двумерный полосовой фильтр, на выходе которого сигнал несет информацию о детал х, величина которых заключена между величинами эффективных диаметров апертур трубки 2 и трубки , поскольку выполнено условие правильного примыкани  полос пропускапи  соседних двумерных фильтров. Передающа  трубка 5 вместе с блоком 7 и трубка 4 вместе с блоком 8 образуют также двумерные полосовые фпльтры, выдел ющие информацию о детал х, величина которых определ етс  после блока 7 эффективными диаметрами апертур трубок 5 и 4, а после блока 8 - эффективными диаметрами трубок 4 и 5. При помощи оптических средств дл  некогеррентных источников света получить апертуру полосового двумерного фильтра с участками отрицательной прозрачности невозможно. Однако средствами электроники можно выполнить операцию вычитани  .сигналов, котора  соответствует вычитанию реакций двух низкочастотных двумерных фильтров, заданных в качестве границ полосового фильтра. Разность откликов двух апертур эквивалентна отклику на разностную апертуру. Дл  получени  разности реакций можно использовать запоминающие устройства, например линии задержки, а затем осуществить алгебраическое суммирование сигналов, соответствующих разным элементам изображени  с соответ1ствующими весовыми коэффициентами. Если во всех, трубках анализатора используютс  одинаковые развертки, то возможно также непосредственное вычитание сигналов этих трубок.

На фиг. 2 показана функци  распределени  cp(x,t/) апертуры двумерного полосового фильтра, соответствующа  разности двух функций распределени  двумерных фильтров низкой частоты с равными «объемами и с совмещенными «ос ми /„ (х,г/) и /

(f(x,y) fa(X,y} fe (Х,У).

Условие равенства «объемов

со+со-Ьоо + оо

i 1 fa(x,y)dxdy J /, (х,у} dxdij

-оо -со-со -со

необходимо дл  полного подавлени  крупных деталей, величина которых больше величины эффективного диаметра В больщей апертуры.

На фиг. 3 в качестве примера показан лростейщий двумерный фильтр, построенный при помощи линии задержки и суммирующего устФиг .З

ройства. Из сигнала  ркости данного элемента а вычитаютс  сигналы  ркост1И четырех соседних элементов изображени  Ь, с, d, е каждый с весовым коэффициентом, равным 0,25.

Развертка осуществл етс  последовательно с периодом развертки Т. Очевидно, что сигнал, полученный таким образом, будет отличатьс  от нул  лишь при передаче мелких деталей и резких контрастных переходов . В этом простейшем а-тучае реакци  двумерного полосового фильтра соответствует второй производной в конечных разност х функции B(x,y,i, описываюш,ей исходное изображение

ф(0 a(t) (/) + c(t + d(t + e(t.

Относительно сигнала е сигнал а задержан на врем  Т, сигнал d - на врем  2Тг, сигнал b - на врем  (Ti + 2); сигнал с - на врем  (), Т2-длительно.сть передачи одного элемента изображени . Таким образом, сигнал а соответствует центральному элементу, сигналы b и с -смежным элементам в той же строке, а сигналы с н d - смежным элементам из соседних строк.

Дл  получени  двумерного фильтра низкой частоты можно также применить запоминающие устройства, однако, значительно удобнее осуществл ть такие фильтры при помощи оптической дефок усировки изображени  на фотокатоде, или дефокусировки читающего электронного луча, или дефокусировки электронного изображени  на накапливающей мишени трубки. Поэтому после трубки 5 (двумерного фильтра низкой частоты) не требуетс  специального устройства дл  формировани  характеристик апертуры. На фиг. 1 показано в качестве примера разделение информации о детал х разной величины при помощи четырех двумерных фильтров.

Сигналы, образованные двумерными фильтрами, поступают на квантующие устройства 9, 10, 11, 12. Эти квантующие устройства могут иметь различное число ступенек квантовани , а также могут иметь пороги квантовани , полол-сение которых мен етс  во времени по определенному закону, известному на приемной стороне. Чтобы не загромождать фиг. 1, цепи управлени  положением порогов квантовани , идущие от генератора разверток 13 к блокам 5, 10, 7/, 12, на фиг. 1 не нанесены. В качестве примера на фиг. 4 показаны характеристики квантующего устройства с переменным положением порогов квантовани , разным дл  четных Л и дл  нечетных В кадров.

Описанные этапы обработки сигнала осуществл ют сокращение алфавита телевизионного сигнала, т. е. уменьшают количество цифр, символов , необходимых дл  дискретного представлени  телевизионного сообщени  путем учета особенностей контрастной чувствительности и инерционности зрительного воспри ти . Дальнейшее сокращение объема телевизионного сигнала осуществл етс  в кодируюадем устройстве 14 путем учета статистических особенностей полученных сигналов. Кодированный сигнал поступает через линию св зи или систему записи-воспроизведени  15 в декодирующее устройство 16, на выходе которого получаютс  сигналы, которые с заданной точностью соответствуют сигналам на выходе двумерных фильтров 6, 7, 8. Неизбел ные расхождени  возникают за счет так называемого «шума квантовани  и ошибок при передаче символов по каналу с помехами. В декодирующем устройстве осуществл етс  также необходима  задержка этих сигналов, обеспечивающа  точный синтез видеосигнала и передаваемого изображени .

Дл  осуществлени  синтеза сигнал, соответствующий двумерному фильтру низкой частоты, подаетс  на блок перезаписи 17, в котором осуЛо 120534

№ 120534

щестБЛ етст переход от развертки, соответствующей трубке 5, к развертке , соответствующей трубке 4. Перезаписанный сигнал поступает в сумматор 18, в котором складываетс  с сигналом, соответствующим сигналу на выходе двумерного фильтра 8. Сумматор имеет возможность регулировок относительных уровней складываемых сигналов. После сумматора образуетс  сигнал, повтор ющий с допустимой погрешностью сигнал на выходе трубки 4. В устройстве перезаписи /9 и в сумматоре 20 образуетс  таким же образом сигнал, повтор ющий с заданной точностью ситнал на выходе трубки 3.

В устройстве перезаписи 21 происходит преобразование к развертке , соответствующей трубке 2, и видеосигналу на выходе системы. После сумматора 22 восстанавливаетс  с заданной точностью видеосигнал, при помощи которого обычным образом на контрольном кинескопе 23 получаетс  переданное изображение, имеющее полную четкость. На кинескопе 24 образуетс  изображение с пониженной четкостью, соответствующее видеосигналу трубки 3. Кинескопы 25 и 26 образуют изображени , четкость которых соответствует видеосигналам трубок 4 и 5. Контрольные кинескопы нужны дл  правильной установки относительных уровней сигналов при суммировании в блоках 18, 20, 22, а также дл  правильной установки синхронности и геометрической точности синтеза. Кинескопы,, контролирующие качество перезаписи на фиг. 1 не показаны. Генератор разверток 27 управл етс  синхронизирующим сигналом, поступающим от декодирующего устройства 16 и создает такие же напр жени  разверток , как и генератор разверток 13 на передающей стороне, вследствие чего обеспечиваетс  надлежаща  точность синтеза и не требуетс  передавать по каналу св зи 15 все сигналы разверток в отдельности. Чтобы не загромождать фиг. 1, цепи управлени  развертками кинескопов 23, 24, 25, 26 и развертками устройств перезаписи 17, 19, 21, идущие от генератора разверток 27, не нанесены.

Предмет изобретени 

Способ анализа и синтеза телевизионного изображени , основанный на разделении сигнала на несколько каналов с последующим их квантованием на различное число уровней, отличающийс  тем, что, с целью более значительного сокращени  объема телевизионного сигнала в этих каналах примен ют анализаторы (передающие трубки) с различными апертурами дл  учета размеров деталей изображени  в двух измерени х , что позвол ет осуществить в каждом канале квантование с переменным порогом, а эквивалентные апертуры с отрицательными участками получаютс  с помощью отведени  соответствующих сигналов из различных точек линии задержки с последующим алгебраическим суммированием этих сигналов.