Введение к работе
Актуальность темы. Решение широкого круга задач в различных областях науки, техники, производства, быта требует исследования методов и систем обработки изображений с целью повышения их визуального качества." Особое значение анализ и разработка этих методов приобретают в виду широкого диапазона условий эксплуатации реальных телевизионных систем.
Одним из внешних факторов, снижающих качество формируемого телевизионного изображения, являегся'вибрацйя, дрожание телевизионной камеры, особенно при съемках в нестационарных условиях. Изменение условий эксплуатации системы не всегда возможно, что послужило причиной развития исследований по стабилизации изображений - разработке методов компенсации движения изображения. вызванного неконтролируемым смещением камеры. В большинстве опубликованных работ решалась задача стабилизации оптического изображения. Однако, в ряде случаев, параметры оптико-механических систем являются неудовлетворительными.
В телевизионной системе возможна реализация электронных методов стабилизации изображения, отличающихся от оптических отсутствием сложных и прецизионных оптико-механических узлов, что является актуальным для ряда прикладных и вещательных приложений. Например, появление легких и компактных видеокамер на матричных приборах с зарядовой связью поставило задачу компенсации случайного смещения поля зрения, вызванного непроизвольным дрожанием руки оператора. В прикладном телевидении электронные методы стабилизации могут найти применение в системах картографирования и экологического мониторинга, например, при телевизионной съемке с вертолета, когда на качество формируемого изображения оказывает влияние вибрация платформы с камерой.
Изложенное свидетельствует об актуальности темы диссертационной работы, посвященной исследованию методов и разработке устройств электронной стабилизации телевизионных изображений.
Цель работы. Основной целью работы является исследование методов электронной стабилизации для повышения качества телевизионного изображения, формируемого в условиях вибрации, а также разработка устройств, реализующих алгоритмы электронной стабилизации в реальном времени.
- г -
Задачи, исследования.
-
Построение модели движения телевизионного изображения как функции перемещения платформы с камерой и анализ на основе этой модели процессов электронной стабилизации. Оценка методических ошибок компенсации движения изображения, вызванных различными составляющими скорости движения платформы с камерой.
-
Разработка и исследование методов и алгоритмов компенсации смещения телевизионного изображения в реальном времени. Машинное моделирование предложенных методов компенсации.
-
Исследование вопросов снижения требуемой производительности видеопроцессора, предназначенного для расчета межкадрового смещения изображения. Анализ методов и разработка быстродействующих алгоритмов определения смещения изображения в реальном времени, программная реализация предложенных алгоритмов.
-
Исследование вопросов визуального восприятия нестабили-зированного изображения, разработка технических требований к системам стабилизации с учетом зрительного восприятия.
-
Аппаратная и программная реализация и экспериментальное исследование разработанных методов и устройств стабилизации телевизионных изображений.
Методы исследования. Для решения указанных задач в диссертационной работе использовались методы математического анализа, матричной алгебры, методы статистического анализа и обработки изображений, методы оптимизации радиоэлектронных устройств, методы программирования на алгоритмических языках. Экспериментальные исследования проводились на лабораторном макете системы стабилизации, разработанном и изготовленном в рамках исследований, а также на ПЭВМ типа IBM PC AT с использованием методов моделирования на ЭВМ.
Новые научные результаты. В диссертационной работе получены следующие новые научные результаты:
-
Проведен структурный анализ видов движения в телевизионном изображении, позволяющий определить основные характеристики движения применительно к задаче электронной стабилизации изображения.
-
Разработана математическая модель преобразования перемещения платформы с камерой в соответствующее межкадровое смещение цифрового телевизионного изображения, позволяющая теоретически
определить методические ошибки различных методов компенсации движения.
-
Предложены методы электронной компенсации пространственно-инвариантных составляющих движения изображения в реальном времени на основе обработки цифрового телевизионного изображения в кадровом запоминающем устройстве.
-
Исследованы методы минимизации вычислительной сложности видеопроцессора при расчете смещения изображения в реальном времени. Получены аналитические соотношения, определяющие требуемую производительность видеопроцессора в зависимости от размера зоны анализа и максимального межкадрового смещения.
-
Предложен алгоритм быстрого поиска экстремума двухмерной корреляционной функции на ограниченной целочисленной решетке, имеющий по сравнению с известными алгоритмами наилучшие показатели по скорости сходимости.
-
В результате проведенных экспериментов по оценке зрительной работоспособности получены количественные показатели по-рого'вых значений параметров вибрации изображения с позиций получателя, информации.
Практическая ценность.
-
На основе предложенной структурной модели видов движений в телевизионном изображении возможно создание интеллектуальных определителей смещения изображения, предназначенных для систем электронной стабилизации.
-
Предложенные методы электронной компенсации смещения изображения позволяют разрабатывать устройства стабилизации и оценивать на этапе проектирования аппаратные затраты.
-
Разработанные режимы формирования сигнала смещения изображения позволяют практически требуемый режим формирования сигнала в зависимости от характеристик датчика смещения изображения.
-
Результаты анализа,' описывающего методические ошибки компенсации,' могут быть использованы для оценки предельных значений параметров движения камеры, при которых максимальная погрешность компенсации не превысит одного элемента изображения.
-
Приведенный анализ алгоритмов определения смещения'изображения в реальном времени доведен до удобных для инженерных расчетов аналитических выражений и графиков. Он может использо-
ваться разработчиками для программной или аппаратной реализации алгоритмов определения смещения.
6. Проведенные эксперименты по визуальному восприятию нес-табилизированного изображения позволяют оценить снижение зрительной работоспособности при наблюдении и обосновать технические требования к системам стабилизации изображения с учетом особенностей зрительного анализатора.
Внедрение результатов работы. Основные теоретические и практические результаты были использованы при выполнении научно-исследовательских работ, проводимых кафедрой "Телевидение и видеотехника" Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета им. В.И. Ульянова (Ленина) в период 1991-1994 гг.: "Разработка и исследование блока обработки видеоинформации с матричного ФППЗ"-Т-88; "Разработка систем оптического мониторинга чрезвычайных ситуаций" Б12,* "Разработка и исследование методов и алгоритмов управления твердотельными преобразователями для повышения качества цветного изображения" Г/Б-2 Т-6; "Теория и .алгоритмы обработки цветовой видеоинформации в многосигнальных твердотельных преобразователях изображений" ГБ-2/ГР/Т-7; "Разработка и исследование малогабаритной цветной телевизионной камеры на многосигнальном матричном ПЗС" Т-113.
Макет системы электронной стабилизации изображения экспонировался на отчетной выставке-семинаре "Радиоэлектронные системы прогнозирования и контроля чрезвычайных ситуаций". Санкт-Петербург, СПб ТЭТУ, 1993 г.
Результаты диссертационной работы внедрены в ВНЦ "ГОИ им. СИ. Вавилова", НИИ РЭС ПЧС, г. Санкт-Петербург.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 4-й конференции с международным участием "Приборы с зарядовой связью и системы на их основе ПЗС-92", Россия, г.Геленджик, 1992 г.; 9-й научно-технической' конференции "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение", Москва, 1992 г.; 48-й научно-технической конференции, посвященной Дню радио, С.-Петербург, 1993 г.; международной конференции "Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации" Россия, Курск, 1993 г.; 49-й научно-технической конференции, посвященной Дню радио, 1994 г.; научно-практической конфе-
ренции "Критерии экологической безопасности", С.-Петербург. 1994 г.; а также на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета им. В.И. Ульянова (Ленина) 1992-1994 гг.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 140 наименований, двух приложений. Основная часть работы изложена на 135 страницах машинописного текста. Работа содержит 5 таблиц. 28 рисунков.
