Введение к работе
Актуальность проблемы. Для увеличения информативности полутоновых изображений при решении широкого спектра зрительных задач, возникающих в телевидении, от обнаружения отдельного пятна или края до распознавания объектов сложной формы, необходима предобработка, делающая изображения более устойчивыми к помехам, и искажениям и обеспечивающая повышение их различимости наблюдателем, оператором или дешифровщиком, получающим видеоинформацию.
Вопросами повышения различимости изображений, а также совершенствования методов и устройств предобработки видеоинформации занимаются на протяжении более, чем полувека при этом основным источником идей были и остаются новые знания о пороговых характеристиках, механизмах и особенностях обработки видеоинформации зрительной системой человека. В период пика исследований предварительной обработки изображений в зрительной системе - в 40 -60 годы уровень электронной техники не обеспечивал возможности реализации сколько-нибудь сложных алгоритмов пространственно-временной обработки, что отрицательно сказалось и на дальнейшем развитии работ в этом направлении. Благодаря прогрессу в электронике возможности осуществления сложных алгоритмов обработки неизмеримо выросли, однако уровень знаний и теоретических представлений о получателе видеоинформации остается по-прежнему недостаточным для определения наиболее эффективных методов повышения различимости полутоновых телевизионных изображений.
Основным препятствием является отсутствие теории различимости телевизионных изображений. Наибольшие затруднения в создании необходимой теории связаны с тем, что не имеется достаточно полной функциональной модели получателя видеоинформации, воспроизводящей основные пороговые характеристики зрения, определяющие различимость малоконтрастных изображений в пространственной, пространственно-частотной, яркостной и временной областях. Наличие такой модели позволило бы на едином функциональном уровне проектировать телевизионную систему целиком, включая получателя видеоинформации.
Диссертация посвящена решению этой актуальной проблемы.
Критерием повышения различимости как простых, так и сложных
объектов является уменьшение пороговой величины перепада яркости (инкрементного порога) объекта в передаваемом изображении при наблюдении его на телевизионном экране. Как показал анализ литературных источников, большинство исследователей не идет дальше качественных моделей и формализованных описаний пороговых характеристик зрения, что, как правило, исключает возможность оптимизации и оценки эффективности обработок изображений на ранних этапах проектирования ТВ систем. При этом устройства обработки изображений по помехоустойчивости и требуемому динамическому диапазону не позволяют обеспечить предельных возможностей и уступают решению аналогичных задач зрительной системой.
Сложность проблемы обусловлена пятью причинами:
- отсутствием теории различимости полутоновых изображений, необходимой для проектирования телевизионных систем;
- отсутствием концепции или подхода, приводящих к построению достаточно полной функциональной модели получателя видеоинформации, воспроизводящей основные пороговые характеристики зрения в яркостной, пространственной, пространственно-частотной и временной областях;
- отсутствием необходимых экспериментальных данных, характеризующих влияние основных локальных параметров изображений ( яркостных и пространственных характеристик границ объектов, включая параметры контрастирующих яркостных выбросов ) на различимость объектов и эаметность возникающих при предобработке искажений;
- малой изученностью возможностей повышения различимости изображений при решении задач передачи и воспроизведения видеоинформации в телевидении;
- отсутствием высокоинтегрированной проблемно ориентированной элементной базы, позволяющей практически осуществить эффективную пространственную или пространственно-временную обработку телевизионных изображений.
Цель работы. Построение основ теории различимости ахроматических полутоновых изображений и принципов технической реализации повышения различимости изображений в телевидении на основе создания функциональной пороговой' модели получателя видеоинформации.
Задачи исследования.
- анализ современного состояния проблемы по основным ее аспектам (пороговые характеристики зрения, модели получателя видеоинформации, способы повышения различимости ТВ изображений, предобработка изображений в реальном времени);
- изучение пороговых характеристик зрения при изменении локальных параметров телевизионных изображений;
- синтез пороговой функциональной модели получателя видеоинформации;
- исследования по изысканию возможностей повышения различимости телевизионных изображений при ограниченном динамическом диапазоне;
- разработка вопросов практического осуществления устройств предобрабогки изображений в реальном времени, в том числе разработка высокоинтегрированнсй специализированной элементной базы.
Научная новизна работы.
Научная новизна диссертации состоит в тем, что впервые решены следующие задачи:
- теоретически и экспериментально исследовано влияние основных локальных параметров изображений на различимость объектов;
- разработана пороговая функциональная модель получателя видеоинформации, воспроизводящая и объясняющая основные пороговые характеристики ахроматического зрения, а также основные законы и феномены зрительного восприятия, и впервые позволяющая проектировать телевизионные системы и устройства обработки изображений с учетом особенностей зрительного восприятия человека на функциональном уровне, а такте оценивать различимость передаваемых изображений;
- теоретически и экспериментально обоснован выбор локальных параметров, обеспечивающий необходимое повышение- различимости телевизионных изображений при незаметности привносимых искажений и ограниченном динамическом диапазоне;
- предложен принципиально новый способ обработки изображений, обеспечивающий повышение более, чем в 10 раз помехоустой-
чивости формы границ объектов в изображениях при ограниченном динамическом диапазоне;
- предложен антропоморфный способ обнаружения перепадов яркости в изображениях, позволявший более, чем в 16 раз повысить помехоустойчивость по сравнению с известными контурными операторами;
- предложены технические решения специализированной микроэлектронной элементной базы для систем обработки изображений в реальном бремени, обеспечивающие минимизацию энергопотребления и позволяющие болев, чем на порядок повысить уровень интеграции без ужесточения требований к технологическим процессам.
Практическая ценность.
Практическая ценность диссертации определяется следующим:
- методика проектирования телевизионных систем на основе разработанной пороговой функциональной модели получателя видеоинформации обеспечивает возможность учета основных характеристик зрительного вооприятия в яркостной, пространственной, пространственно-частотной и временной областях при выборе параметров систем и способов обработки видеоинформации, а также оценки различимости изображений на ранних этапах проектирования;
- выявление дополнительных резервов повышения различимости полутоновых изображений, а также увеличения помехоустойчивости форм|Л объектов позволило предложить способы их осуществления на основе управления локальными параметрами изображений с учетом синтезированной модели получателя видеоинформации, обеспечивающие увеличение помехоустойчивости более, чем в 10 раз;
- предложенный антропоморфный метод обнаружения перепадов яркости в изображениях позволяет повысить помехоустойчивость выделения Контуров более, чем в 16 раз;
- предложенные научно-технические решения позволили разработать новую элементную базу, предназначенную для осуществления сложных методов пространственно-временной предобработки изображений в реальном времени, обладающую более широкими функциональными возможностями, а также повышенными экономичностью и уровнем интеграции.
Реализация результатов работы.
Основные результаты диссертационной работы использованы в НИИ Телевидения Санкт-Петербурга при разработке прикладных телевизионных систем: при выборе режимов передающих трубок и элементов систем, при выборе методов предобработки изображений и разработке устройств обработки сигналов изображений, при создании новой элементной базы для устройств пространственно-временной обработки изображений, а также в НПФ "Электроника и видеосистемы", Санкт-Петербург, при создании контрастора для медицинских рентгено-телевизионных диагностических комплексов. Благодаря использованию результатов работы повышена чувствительность уникальных прикладных телевизионных систем более, чем в 3 раза, а разрешающая способность при контрасте 0,2 - 0,3 доведена до уровня, соответствующего единичному контрасту. Разработанный на основе .результатов диссертационных исследований локальный контрастор позволил повысить информативность рентгено-телевизионных изображений, увеличить точность диагностики, сократить время исследования, уменьшить в 2-4 раза дозу облучения, заменить дефицитные серебросодержащие кино и фото материалы менее качественным бессеребряным материалом без потерь полезной информации.
Личный вклад автора в разработку проблемы. Основные научные положения, экспериментальные результаты и теоретические выводы и рекомендации получены автором самостоятельно.
Апробация работы.
Апробация основных результатов была проведена на следующих Всесоюзных, международных и межрегиональных конференциях:
- 1-е Всесоюзное совещание по физическим принципам создания молекулярных устройств хранения и переработки информации. Одесса, 1988.
- III Всесоюзная конференция: Автоматизированные системы обработки изображений (АСОИЗ-8В), 1989, Санкт-Петербург;
- IV Всесоюзная конференция: Математические методы распознавания образов (MMP0-IV). 1980, Рига.
- Межотраслевой cеминар: Проблемы создания систем обработки, анализа и распознавания изображений. 1989, Ташкент.
- IX Всесоюзная конференция: Проблемы нейрокибернетики. 1989,
Ростов-на-Дону,
- Всесоюзная научно-техническая конференция: Проблемы и перспективы развития телевидения. 1991, Санкт-Петербург.
- XIV Европейская конференция по зрительному восприятии, 1991, Вильнюс.
- Межотраслевая научно-производственная конференция: Развитие и совершенствование телевизионной техники. 1991, Львов.
- Международный симпозиум по нейронным сетям и нейрокомпьютерам, 1992, Ростов-на Дону.
Публикации. Основные результаты диссертации содержатся в 88
научных работах, из которых:
- 14 патентов и авторских свидетельств на изобретения;
- 27 статей в научно-технических сборниках и журналах;
- 17 материалов научно-технических конференций;
- 10 отчетов по НИР и ОКР.
Научные положения и результаты, выносимые на защиту.
1. Метод проектирования телевизионных систем на основе разработанной пороговой функциональной модели получателя видеоинформации впервые обеспечивает:
- учет основных пороговых характеристик зрения человека в яркостной, пространственной, пространственно-частотной и временной областях, а также основных законов зрительного восприятия и феноменов;
- возможность оценки различимости разноразмерных объектов при известной ширине зоны размытия границ на произвольном яркостном фоне при заданном времени экспозиции, в том числе при наличии шума;
- возможность оценки разрешающей способности ТВ систем с учетом ограничений зрения;
- возможность оценки локальной чувствительности ТВ систем, сквозной передаточной характеристики, а также числа различимых градаций яркости с учетом зрительных порогов;
- возможность оценки эффективности контрастирующих предобработок
изображений с учетом характеристик яркостных выбросов, а
также оценки заметности возникающих при этом искажений;
- возможность оценки различимости формы объектов как при отсутствии, так и при наличии контрастирующих предобработок.
2. Результаты исследований закономерностей порогового восприятия телевизионных изображений показывают, что:
- при расширении фронта яркостных переходов (зоны размытия границ) вплоть до найденного критического значения прямое влияние расширения границ на порог обнаружения пренебрежимо мало, при дальнейшем расширении фронта происходит резкое увеличение порога, что не воспроизводится существующими дифференциальными моделями выделения контуров в зрительной системе ни при каких условиях;
- при переходе к адаптированным угловым размерам зависимость нормированной величины инкрементного порога от размера объекта оказывается инвариантной к яркости адаптации, найденная закономерная связь воспроизводит законы пространственной суммации - Рикко, Пипера, а также феномен отсутствия суммации;
- при значениях яркости адаптации 1…200 кд/м2 в диапазоне изменения адаптированной величины локальной яркости до 100 крат пороговый локальный контраст приблизительно постоянен, а амплитудная характеристика зрительной системы может быть выражена логарифмической функцией;
- имеются резервы для дополнительного повышения различимости разноразмерных объектов на основе локального усиления перепадов яркости с образованием яркостных выбросов, а также варьирования локальным фоном, при обеспечении незаметности вносимых при этом искажений;
- для угловых и локальных формообразующих элементов объектов зависимость порога различения этих элементов от их размера соответствует аналогичной зависимости для порога обнаружения равновеликих с формообразующими элементами объектов;
- при наличии на границах перепадов яркости выбросов, размах которых возрастает при уменьшении локального радиуса границы ("радиальные" выбросы), обеспечивается возможность снижения порога различения формообразующих элементов объектов более, чем в 10 раз, большего, чем при обычных ("линейных") выбросах..
3. Предложенные методы локальной предобработки изображений обеспечивают:
- возможность управления различимостью разноразмерных объектов в полутоновых изображениях при незаметности связанных с этим искажений при ограниченном динамическом диапазоне звеньев передачи сигналов изображений;
- увеличение чувствительности ТВ систем, а также разрешающей способности при малом контрасте в случае отсутствия лимитирующего влияния помех - более, чем в 10 раз;
- увеличение помехоустойчивости изображений без расширения динамического диапазона звеньев ТВ систем, при снятии известных ограничений на увеличение числа различимых градаций яркости;
- возможность увеличения помехоустойчивости формы объектов более, чем в 10 раз;
- возможность дополнительного ослабления шума канала связи в 3 - 4 раза;
- увеличение помехоустойчивости обнаружения границ объектов более, чем в 10 раз по сравнению с известными дифференциальными контурными операторами,
4. Предложенные научно-технические решения позволяют повысить уровень интеграции элементной базы более, чем на порядок, упростить, сделать более экономичным, а также удешевить практическое осуществление систем предобработки изображений в реальном времени.
Структура и объем работы.