Введение к работе
Актуальность работы.
Повышение качества воспроизведения цветных изображений сос-звляет центральную проблему развития и совершенствования опти-)-электронных систем передачи и воспроизведения цветных изобразили, к которым относятся телевизионные и видеосистемы веща-гльного телевидения, прикладные системы цветного телевидения, ютемы мультимедиа, системы электронного кинематографа,'политические электронные системы. В действующих оптико-электрон-IX системах телевидения качество воспроизводимых цветных изо-эажений еще не достигает того уровня, который заложен параметри стандарта разложения, вследствие отклонения характеристик гайко-электронной системы от необходимых для получения потенци-іьного достижимого качества. При проектировании и разработке ітико-электронных систем телевидения повышенной и высокой чет-юти возникает необходимость в количественной оценке достигаемо повышения качества воспроизведения цветных изображений.
Целью диссертационной работы является разработка методов іенки качества воспроизведения цветных изображений опти-)-электронными системами и способов его улучшения.
Состояние вопроса и задачи исследования.
Различные подходы к оценке качества воспроизведения изобра-!ний развивались в работах отечественных и зарубежных ученых: Шаде, Я.А.Рыфтина, С.Б.Руревича, М.В.Антипина, М.М. Мирошнико-I, Н.Н.Красильникова, И.й.Цуккермана, Р.Е.Быкова, М.А. Груд-шского, Б.С.Тимофеева, СВ. Новаковского, М.й. Кривошеева, Ф.Гребенникова, Л.И.Хромова, Б.В. Титкова, У.Прзтта, Б.М.Певз-;ра и других. Разработанные для черно-белых телевизионных сис-м и изображений методы оценки качества по существу оказываются применимы при оценке качества воспроизведения цветных изобра-ний оптико-электронными системами. Проблема получения числовых ;енок качества цветных систем передачи изображений обусловлена м, что рекомендованный Международной комиссией по освещению КО) способ представления и количественной оценки цвета в коло-метрии базируется на аффинных векторных пространствах, которые являются метрическими. По этой причине получили широкое при-нение методы субъективных экспертных оценок качества цветных
ивображении. Методология оценки качества воспроизведения цветнш изображений оптико-электронными системами по их объективным характеристикам не разработана.'
Для разработки методологии оценки качества воспроизведена цветных изображений оптико-электронными системами решаются следующие задачи;
доказательство возможности представления откликов в метрическом цветовом пространстве, определение' метрической систем световых и цветовых величин цветовой фотометрии, методов их измерений и формулирование законов уравнивания'и сложения цветов ; цветовой фотометрии;
определение основных параметров цветных изображений і систем, сенсорных характеристик их восприятия;
.- разработку интегрального критерия качества воспроизведения цветных изображений оптико-электронных систем по их характе ристикам и характеристикам зрительной системы;
определение условий фотометрически точного воспроизведе кия цветных изображений оптико-электронными системами и рагра ботка новых методов цветового кодирования сигналов и их коррек ции на основе принципа постоянной цветовой яркости; .
оценку повышения качества воспроизведения цветных изобра жений оптико-электронными системами при увеличении разрешаще способности, контраста и увеличении отношения сигнала к шумам.
Методы исследований. В диссертационной работе используются
теоретические методы исследования на основе использовани теории многомерных линейных векторных пространств, гильбертов пространства, теории функциональных преобразований, многомерног преобразования Фурье, теории дискретизации, теории линейны дифффренциальных уравнений;
экспериментальные методы исследования, включая постанови психофизических экспериментов по оценке восприятия световых ИЕ лучений зрительной системой, проведение исследований на эксперт ментальной оптико-электронной системе телевидения повышение четкости, моделирование алгоритмов обработки цветовых сигнале на телевигионно-вычислительном комплексе.
Научная новизна работы состоит:
в доказательстве корректности представления цвета в метрическом векторном цветовом пространстве;
в разработке метрической системы световых и цветовых величин цветовой фотометрии и методов их измерения;
в определении условий фотометрически точного воспроизведения цветных изображений оптико-электронными системами;
в разработке методов векторного цветового кодирования сигналов изображения и цветового кодирования на основе принципа аостоянной цветовой яркости;
в установлении связи характеристик оптико-электронной системы и зрительной системы с интегральной оценкой качества воспроизведения цветных изображений.
Практическая ценность исследований и их применения. Основные результаты диссертационной работы получены при выполнении научно-исследовательских работ в соответствии с постановлением ГКНТ СССР N555 от 30.10.85 г., государственной научно-технической программой "Перспективные информационные технологии", постановлением СМ СССР N1474 от 30.12.88 г. и постановлением ГКНТ СССР N39 от 02.02.90 г.
Практическая ценность научных результатов диссертационой работы заключается:
в разработке методов измерения цветовых величин,
в определении методов реализации фотометрически точного воспроизведения цветных изображений,
в создании алгоритмов и устройств эффективной цветовой коррекции цветовых сигналов оптико-электронных систем/
в разработке метода оценки качества воспроизведения цветных изображений по интегральной прозрачности оптико-электронной системы, учитывающей характеристики зрительной системы,
в определении аналоговых и цифровых параметров оптико-электронной системы цветного телевидения высокой четкости,
в разработке методов и средств измерения характеристик оптико-электронной системы цветного телевидения высокой четкости.
Результаты диссертационной работы внедрены в ГП НИИ телевидения, ГТРК-5 канал, ЦНИИ "Электрон", МГНШІ ДШІ, ТОО "Телевидеосистемы", "МО МАГИС" и использованы в ОКТБ "Омега", г. Новгород, в учебном процессе ГЭТУ, ГУТ, БГТУ, ИКТ, г. Санкт-Петербург.
Практические применения нашли следующие результаты работы:
-
Методология оценки качества воспроизведения цветных изображений по интегральному критерию использована при оценке технического качества оптико-электронных вещательных комплексов для производства телевизионных и видеопрограмм по шкалам категорий.
-
Методы коррекции качества цветных изображений на основе принципа постоянной цветовой яркости нашли практическое применение в' устройствах цветовой коррекции и коррекции качества цветных изображений КЦ1, КЦИ, СС11 при производстве и передаче телевизионных приграмм и кинофильмов.
-
Предложения по аналоговым и цифровым параметрам оптико-электронной системы телевидения высокой четкости были использованы при разработке экспериментального комплекса аппаратуры оптико-электронной системы телевидения высокой четкости и представлены в качестве вкладов от Администрации СССР в Международную вещательную организацию СЖРТ и от ОИРТ в Международный консультативный комитет по радио Международного союза электросвязи.
#. Разработанные комплекты.испытательных таблиц были применены при измерении характеристик и настройке экспериментального комплекса аппаратуры телевидения высокой четкости, представлены в качестве вклада от Администрации СССР в Международный консультативный комитет по радио Международного союза электросвязи, а также применены для настройки серийных цифровых телекинодатчиков
5". Результаты по улучшении параметров отдельных устройств оптико-электронной системы использованы для повышения качества воспроизведения цветных, изображений и их измерений.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Цвет может быть представлен в виде вектора в метрическом векторном пространстве. Модуль цветового вектора равен векторной сумме трех векторов , модули которых пропорциональны амплитудам световых волн, преобразуемых в цветовых каналах зрительной системы. Углы между векторами определяются коэффициентами близости спектральных характеристик цветовых каналов зрительной системы, определяемы^на основе неравенства Буняковского в гильбертовом пространстве эффективных световых излучений цветовых каналов зрительной системы при восприятии равноэнергетичеокого белого света.
-
В метрическом векторном цветовом пространстве однозначно пределявтся основные метрические цветовые величины цветовой фо-ометрии, характеризующие восприятие светового излучения с раэ-ичным спектральным составом: световой лоток, сила света, цвето-ая освещенность, цветовая яркость, цветовая амплитуда, насьщен-ость цвета, цветовой тон. Метрические цветовые величины, су-ествующие фотометрические величины и координаты цвета в между-ародной системе XYZ связаны между собой. Величины цветовой фо-эметрии определяют параметры цветного изображения и опти-э-электронной системы, характеризующие качество воспроизведения ветных изображений: цветовой контраст, четкость и резкость ветного изображения, зашумленность цветного изображения.
-
Точное воспроизведение цветных изображений оптико-элект-энными системами достигается при равенстве цветовых амплитуд, зсыщенностей и цветовых тонов деталей объектов и их изображе-ай, то-есть при фотометрически точном воспроизведении изображе-ай. Оно реализуется' выбором определенных спектральных характе-ястик оптико-электронного преобразования и матрицированием цве-эвых сигналов при их передаче и воспроизведении.
-
Качество воспроизведения -цветных изображений оптико-іектронньши системами может быть выражено числовой оценкой ин-ггральной прозрачности сптико-алектронной системы, зависящей
с ее контрастно-частотных характеристик, контраста и отношения ігнала к помехам, а также контрастно-частотных характеристик мітельной системы по каналу белого и оппонентным цветовым кана-ш. Оно имеет числовую шкалу от нуля до единицы, причем нулевое гачение числовой пцсалы определяется по допустимой вероятности шильного обнаружения типовых изображений в шумах, а единично-' значению соответствует наблюдение объекта зрительной системой комфортных условиях наблюдения.. Искажения -сигналов изображения ш передаче па каналам связи ухудшают качество воспроизведения (ображений и учитываются козффициентом ухудшения.
5. Качество воспроизведения цветных изображений опти-
I-электронными системами вещательного телевидения при принятых
'андартами допусках на их отклонение составляет 0,35 - 0,4 и
асет быть улучшено при передаче сигналов изображения цифровыми
тодами до 0,7 - 0,8 для расстояния наблюдения, равного шести
сотам изображения. Дальнейшее повышение качества Еоспроизведе-
ния цветных изображений возможно при реализации фотометрически точного воспроизведения цветных изображений, увеличением числа строк разложения в два раза и увеличением сигнала к шуму до 65-70 дБ.
Апробация результатов работы.
Материалы диссертации докладывались на научно-технических конференциях:
6-й Всесоюзной научно-технической конференции "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение", г.Москва, 1986; Международном научно-техническом семинаре по вопросам кодирования и передачи сигналов телевидения высокой четкости, г. Ленинград, 1990; Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы и перспективы развития телевидения", г.Санкт-Петербург, 1991; Международной конференции по оптической обработке информации, г. Санкт-Петербург, 1993; 10-й Вероссийской научно-технической конференции "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение", г. Москва, 1994; Международной научно-технической конференции "Прикладная оптика - 94", г. Санкт-Петербург, 1994; Международной научно-технической конференции "Оптика - 95", г. Санкт-Петербург, 1995; Шестом Дортмундском телевизионном семинаре " Мультимедиа: применения, технологии, системы", г. Дортмунд, ФРГ, 1995; Второй Международной конференции по оптической обработке информации, г. Санкт-Петербург, 1996; 11-й Всероссийской научно-технической конференции "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение", г.Москва, 1996; Симпозиуме "Прикладная оптика - 96", г. Санкт-Петербург и др.
Публикации.
Материалы диссертации опубликованы в одной монографии, двух учебных пособиях, 79 публикациях, включая 14 авторских свидетельств на изобретение, 2 патента Российской Федерации.
Структура и объем работы.
Диссертационная работа состоит из списков основных обозначений и аббревиатур, введения, шести глав, заключения, списка литературы из 185 наименований на 20 страницах. Она включает в себя 274 страницы машинописного текста, содержит 82 рисунка и иллюстраций на 58 страницах, 26 таблиц. Приложения занимают 28 страниц.
