Введение к работе
Актуальность темы. Наиболее перспективным стандартом кодирования в цифровом вещательном телевидении является H.264/AVC (MPEG-4 Часть 10). Это связано, в первую очередь, с относительно высокими показателями сжатия и качества передаваемого изображения, а также с возможностью работать с различными платформами доставки контента (IP, мобильные устройства и т.д.).
Чтобы достигнуть эффективного использования цифровых каналов при сохранении качества, вещательные компании используют предобработку видеосигнала перед сжатием. Специализированные устройства предварительной обработки не только снижают уровень шумов, но и подавляют те компоненты изображения, которые практически незаметны для зрителя, однако существенно расходуют ресурс кодера сжатия, например, подвижные диагональные структуры. Именно поэтому аппаратура предобработки и шумоподавления нашла широкое применение у профессионалов всего мира.
Независимые исследования также показали, что, при заданном качестве изображения, скорости потока, соответствующие сигналам изображений до и после предварительной обработки, существенно отличаются. Очевидно, что это даёт возможность дополнительной загрузки канала другими программами или данными. Предварительная обработка вносит очень большой вклад в решение извечного компромисса - поток/качество.
Активное внедрение во всём мире вещания телевидения высокой чёткости и стереотелевидения делает использование предобработки сигналов ещё более актуальным. Сигналы таких изображений имеют очень высокую скорость цифрового потока, и, следовательно, передача таких сигналов по каналам связи ещё более требовательна к их ресурсам, что делает предобработку просто необходимой.
Разработка алгоритмов предобработки, реализующих эффективную предварительную компенсацию пространственно-временных искажений с учётом специфики нового стандарта сжатия, является, безусловно, актуальной задачей,
решение которой необходимо обеспечивать для дальнейшего развития алгоритмов самого сжатия H.264/AVC.
Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является разработка методов, алгоритмов и устройств, позволяющих с учётом специфики формирования и сжатия сигналов изображений уменьшать сопутствующие искажения их спектра, возникающие в цифровых системах вещательного телевидения.
Для достижения поставленной цели в работе решены следующие научно-практические задачи:
Проведён анализ процесса формирования сигнала в устройствах цифрового телевидения.
Разработан алгоритм ограничения пространственного спектра сигналов телевизионных изображений.
Осуществлён сравнительный анализ основных принципов и методов сжатия цифрового телевизионного сигнала по стандартам MPEG-2 и H.264/AVC.
Разработан метод коррекции линейных искажений пространственной структуры сигналов изображений в системах цифрового телевидения.
Разработан метод противошумовой коррекции сигналов изображений в системах цифрового телевидения.
Разработан новый метод предсказания и восстановления структуры изображений для внутрикадрового сжатия соответствующего спектра.
Разработаны рекомендации по выбору размера блоков при внутрикадровом кодировании по стандарту сжатия H.264/AVC.
Проведены экспериментальные исследования разработанного метода коррекции линейных искажений сигналов изображений.
Проведены экспериментальные исследования разработанного метода противошумовой коррекции сигнала изображения.
Ю.Проведены сравнительные экспериментальные исследования разработанного метода и алгоритма предсказания и восстановления структуры телевизионного изображения для внутрикадрового кодирования.
Методы исследования. При решении поставленных задач в работе использованы современные методы анализа теории телевидения, включая элементы теории функций и функционального анализа, теории численного интегрирования и дифференцирования, линейной алгебры и геометрии, методы спектрального анализа Фурье, численного анализа, программирования и др.
Научная новизна. Научная новизна работы заключается в следующем:
Проведен теоретический анализ характеристик, параметров и искажений формирования сигналов телевизионных изображений в системах цифрового вещательного телевидения.
Разработан метод коррекции линейных искажений сигналов изображений в системах цифрового телевидения.
Разработан метод предсказания и восстановления структуры телевизионного изображения для внутрикадрового кодирования.
Создано программное обеспечение для моделирования метода коррекции линейных искажений телевизионного сигнала.
Создано программное обеспечение для моделирования метода предсказания и восстановления структуры телевизионного изображения для внутрикадрового кодирования.
Практическая ценность:
Разработан метод коррекции линейных искажений сигналов изображений в системах цифрового телевидения.
Разработан метод предсказания и восстановления структуры телевизионного изображения для внутрикадрового кодирования.
Разработана методика адаптивного выбора размеров блоков при внутрикадровом кодировании телевизионного сигнала.
Реализация результатов работы. Результаты работы использованы при разработке систем передачи видеоинформации ЗАО «СпецВидеоПроект», при проведении учебного процесса на кафедре телевидения им. СИ. Катаева МТУСИ и при выполнении НИР в лаборатории "Цифровой обработки телевизионных
сигналов" (НИЛ-11) НИЧ МТУСИ.
Апробация результатов. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на научно-технических конференциях: «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения», 2007 г., научно - технических конференциях профессорско-преподавательского состава, МТУСИ, Москва, 2003-2006 г.г., «Молодые учёные - науке, технологиям и профессиональному образованию в электронике», 2006-2007 г.г.
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 14 научных работ.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа изложена на 190 страницах машинописного текста. Список литературы включает 87 наименований. Основные положения, выносимые на защиту:
Результаты анализа процесса формирования сигнала изображений в устройствах цифрового телевидения.
Результаты анализа основных принципов и методов сжатия цифрового телевизионного сигнала.
Разработанный метод коррекции линейных искажений сигнала изображения в системах цифрового телевидения.
Разработанный метод противошумовой коррекции сигналов изображений в системах цифрового телевидения.
Разработанный метод предсказания и восстановления структуры телевизионного изображения для внутрикадрового кодирования.
Разработанные рекомендации выбора размеров блоков при внутрикадровом кодировании.
Результаты экспериментальных исследований разработанного метода адаптивной коррекции пространственно-временной структуры сигналов изображений.
8. Результаты экспериментальных исследований разработанного метода предсказания и восстановления структуры телевизионного изображения для внутрикадрового кодирования.
