Введение к работе
Актуальность темы. Возрастающие требования к качеству телевизионного вещания и расширению функциональных возможностей систем прикладного телевидения (ТВ) приводят к необходимости применения цифровых методов при формировании, консервации и передаче ТВ сигналов. Разносторонние теоретические исследования и разработка аппаратуры цифрового ТВ вызвали появление телевизионных систем различной ориентации и назначения.
При восстановлении сигнала изображения, дискретизирован-ного по группам элементов с использованием обычных методов восстановления - интерполяции или экстраполяции - возникают заметные искажения, накладывающиеся на изображение и мешающие при наблюдении . В зависимости от характера исходного изображения (или спектра исходного изображения) уровень искажений заметно влияет на точность восстановления. Для повышения точности восстановления необходимо использовать адаптивные методы восстановления, учитывающие спектральные, фазовые характеристики и соотношения, характер и тип данного изображения. Исследования в данном направлении позволяют сократить избыточность цифрового сигнала изображения в несколько раз., что актуально особенно сейчас, при широком внедрении перспективных систем ТВ с повышенным разрешением.
Применение цифровых методов обработки телевизионного сигнала в современных системах телевидения дало возможность повысить пропускную способность при передаче с использованием оптимальных методов модуляции и кодирования, базирующихся на более полном учете статистических характеристик передаваемых со-
/г
общений и свойств их получателей . Разработанные к настоящему времени цифровые методы кодирования можно условно разделить на поэлементное , блочное и гибридное. К поэлементному кодированию можно отнести рациональные методы кодирования (например . нелинейную ИКН. различные методы кодирования с предсказанием и т.д.). заключающиеся в таком преобразовании ТВ сигналов, при котором минимизируются затраты двоичных единиц на их описание. Блочное кодирование характеризуется линейным либо нелинейным преобразованием ТВ сигналов (методы кодирования с преобразованием с использованием различных базисных функций, методы адаптивного группового кодирования, векторное квантование и т.п.). Так. при кодировании на основе линейного преобразования распределение ' энергии в исходном фрагменте ТВ изображения заменяется на ее резко неравномерное распределение в преобразованной области . что позволяет коэффициенты преобразования с небольшой энергией кодировать "грубо", а некоторые из них даже отбросить и тем самым сократить число двоичных единиц . необходимое для цифрового описания ТВ изображений. Гибридное кодирование-сочетание методов цифрового кодирования, относящихся к различным группам.
Таким образом можно выделить следующие направления решения данной задачи:
Первое направление - это более полный учет в процессе цифрового кодирования свойств источника и получателя.
Второе направление - более широкое использование методов временной адаптации в процессе цифрового кодирования ТВ сигналов (кодирование с компенсацией движения).
Третье направление - переход от скалярного квантования к
векторному.
Четвертое направление - переход к гибридным (составным) методам цифрового кодирования. При этом под гибридным методом следует понимать сочетание различных методов цифрового кодирования с пред- и послеобработкой кодируемых ТВ сигналов, ведущее к повышению эффективности всего процесса кодирования.
Выбор метода эффективного кодирования ТВ сигналов должен также базироваться на учете экономических аспектов . в частности на анализе зависимостей стоимости аппаратуры цифрового кодирования от требуемых параметров.
В качестве примера можно привести технологию сжатия изображения (сокращения избыточности), регламентируемая стандартом JPEG (Joint Photographic Experts Group - Объединенная группа экспертов в области фотографии), которая позволяет оперировать с большими обьемами информации, описывающей изображение .
Аналогичная задача решалась при разработке технологии сжатия видеоинформации с помощью метода MPEG (Motion Picture Experts Group - Группа экспертов в области движущихся изображений). Принцип технологии MPEG (MPEG-2) основан на управлении разрядной скоростью, которая изменяется при передаче по каналам с фиксированной пропускной способностью.
Известен и успешно используется для сжатия графической информации метод фрактального сжатия (Fractal Image Compression), т.е. сжатие структур,' обладающих схожими параметрами. В этом методе аналогично JPEG и MPEG используется ДКП и принцип сжатия, называемый Wavelet Image Compression (WIC) .
В настоящее время параллельно разработаны и существуют несколько систем телевидения высокой четкости - ТВЧ, как сов-
местимые . так и несовместимые 'с существующими. Приведем наиболее распространенные из них:
Несовместимая на 1125 строк с чересстрочной разверткой на 60 полей в секунду, формат 5:3 (Япония.NHK);
Совместимая на 1250 строк с прогрессивной разверткой на 50 кадров в секунду, формат 16:9 (Европейский стандарт.Eur1-са-95);
Совместимая на 1050 строк с чересстрочной разверткой на 60 полей в 1 секунду, формат 16:9 (США).
В СССР в 1960-1962 гг. была разработана система на 1125 строк (МНИТИ), в середине 80-х годов проектировались системы на 1350 и 1875 строк (ВНИИТ совместно с МИС) с чересстрочной разверткой на 50 полей, формат 16:9, и был предложен вариант на 1375 строк (ВНИИТР).
Для систем ТВЧ были разработаны различные эффективные методы сжатия спектра видеосигнала. Для японской системы ТВЧ на 1125 была создана и в настоящее время успешно функционирует система MUSE (Multiple Sub-Nyqulst Sampling Encoding - система кодирования с многократной субдискретизацией). Система MUSE основана на дискретизации и субдискретизации сигнала с офсетом отсчетов. Существует несколько вариантов системы: MUSE-T. MU-SE-E. MUSE-6. MUSE-9.
Европейская система ТВЧ базируется на концепции С-МАС (Multlplexel Analogue Components - временное уплотнение аналоговых компонент сигнала) и предназначена для непосредственного приема сигнала от спутника связи. Сжатие сигналов яркости и цветности во времени при кодировании производится с помощью устройств памяти.
Американская компания CBS (Columbia Brodcasting System) разработала систему на 1050 строк - систему MAC. совместимую с С-МАС. Кроме того, в США разработана система ACTV. предназначенная для работы со стандартом NTSC на 1050 строк. 60 полей в секунду, форматом 16:9.
Все вышеперечисленные методы сжатия сигнала изображения имеют или недостаточное быстродействие (JPEG.MPEG) и невозможность работы в реальном масштабе времени, либо небольшой коэффициент сжатия, точность восстановления и несовместимость с существующими системами (MUSE.МАО.
Цель работы. Исследование и разработка методов и устройств восстановления структуры изображения в системах телевидения с многомерной дискретизацией по группам элементов. Анализ принципов адаптивного многомерного восстановления, исследование характеристик сигналов при обработке сигналов изображения .
Методы исследования. В работе использованы методы математического анализа, теории электрических цепей, теории дискретизации, Фурье-преобразования, преобразования Лапласа, машинные методы расчетов при обработке изображения и моделировании процесса восстановления на ЭВМ. а также экспериментальные методы исследования.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- Предложен новый метод анализа и расчета спектральных характеристик, позволяющий осуществлять расчет и согласование алгоритма восстановления с характеристиками исходного или восстанавливаемого цифрового сигнала изображения;
Предложена упрощенная методика расчета спектральных характеристик цифровых сигналов;
Предложен принцип восстановления . адаптивный к спектральным характеристикам исходного или восстанавливаемого сигнала изображения. .
Практическая ценность работы заключается в следующем:
Предложен и проведен расчет и анализ спектральных характеристик элементарных многомерных дискретных групп;
Предложен способ адаптивного восстановления сложнодиск-ретизированных сигналов - как одномерных, так и многомерных;
Для реализации адаптивного способа восстановления предложено два устройства. Одно получило авторское свидетельство СССР, другое защищено патентом РФ.
Реализация работы. Разработаны практические рекомендации по методам и устройствам адаптивного восстановления ТВ сигнала, которые используются в научно - исследовательских работах по сокращению избыточности и сжатию спектра.
Результаты диссертационной работы легли в основу устройства адаптивного восстановления, кроме того результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс кафедры ТВ в виде лабораторной работы.
По данной тематике было запатентовано одно устройства, получено одно' авторское свидетельство на изобретение.
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на научно-технических конференциях профессорско-препо-
давательского состава МТУСИ в 1991-1993 гг.: НТК молодых ученых Алма-Атинского энергетического института (Алма-Ата. 1991 г.). IV НТК молодых ученых, специалистов и студентов "Переда-' ча. прием и обработка сигналов в радиотехнических системах и устройствах" (Ростов-на-Дону.1991 г.). Втором Всесоюзном совещании "Измерения и контроль при автоматизации производственных процессов" - ИКАПП - 92 (Барнаул. 1992).
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 11 печатных работах. Получены одно авторское свидетельство и один патент на изобретение. Часть материалов вошла в отчет по НИР. проводимой кафедрой телевидения МТУСИ в рамках хоздоговорной тематики.
Обьем работы . Диссертация состоит из 4-х глав, введения, заключения, приложения, списка литературы , изложенные на 197 страницах. Содержит 137 страниц основного текста, 32 страниц рисунков. 9 страниц литературы, состоящей из 93 наименований и 19 страниц приложений.
