Введение к работе
Актуальность работы. Для современных систем прикладного телевидения (СПТ) характерна сложная цепь операций (элементов) последовательной функциональной обработки сигналов изображений (СИ) на этапах проецирования и преобразования "свет-сигнал", формирования и коррекции телевизионного сигнала (ТВС), кодирования, передачи и приема ТВС, декодирования, формирования и коррекции принятого ТВС, преобразования "сигнал-свет" и, наконец, контроля ТВС и воспроизведенных изображений. Значительное число и последовательный характер преобразований видеоинформации (ВИ) обусловливают при этом накопление искажений в результирующем телевизионном (ТВ) изображении. Уменьшение степени накопления искажений возможно в результате проведения сквозного теоретического анализа, выбора и взаимного согласования характеристик всей последовательности элементов процесса преобразования СИ.
На уровне теоретического выбора характеристик СПТ должно быть обеспечено, в частности, жесткое согласование параметров ВИ с характеристиками преобразователя "свет-сигнал" (ПСС). Первым этапом этой сложной задачи является этап выявления требований к ограничивающим характеристикам ПСС в СПТ. Данный этап может быть реализован для конкретной СПТ на основе результатов, полученных при теоретических и экспериментальных исследованиях специфики многомерного спектра (МС) контролируемых объектов. Другим необходимым элементом является теоретическое установление критериев по отражению исходной структуры МС на выходе СПТ. Исходные данные здесь определяются функциональным назначением СПТ и для различных пользователей отличаются не только в количественном, но и в качественном отношении. Соответственно для каждого варианта функционирования СПТ должна быть разработана частная модель объекта наблюдения, охватывающая критические (по информационной нагрузке) режимы работы СПТ. Неравномерность текущей информационной нагрузки является следствием неравномерности текущего МС исходного воздействия. Следовательно, в реальных СПТ необходимо проводить исследования предельных параметров МС исходного воздействия.
Экспериментальные исследования предельных параметров МС затруднены сложностью реализации аппаратуры с удовлетворительными по протяженности и изотропности характеристиками во всем спектральном пространстве. Затраты же на эксперимментальный контроль параметров МС ВИ с анизотропными характеристиками обычно не окупаются из-за ограниченного числа пользователей. Актуальной в связи с последним на современном этапе развития СПТ является разработка элементов теоретического исследования специфики МС ВИ
на входе ПСС. При этом можно выделить относительно небольшой по числу круг операторов, описывающих поведение объектов контроля в поле зрения СПТ. Выбранный круг операторов должен обеспечить выявление в объеме спектрального пространства зон анизотропии структуры МС объектов.
Высокая степень неравномерности текущей информационной нагрузки характерна для трансформаций структуры МС контролируемых объектов в условиях масштабных, масштабно-временных, фазовых и фазо-временных преобразований ВИ во входном звене СПТ. В литературе фактически нет методик анализа соотвествующих изменений МС ВИ, возникающих в СПТ. Задача создания соответствующих методов анализа является безусловно актуальной.
Последующие искажения и преобразования структуры СИ возникают в процессе проецирования, т.е. в оптическом тракте СПТ на передающей стороне. Для данного этапа функциональных преобразований СИ практически отсутствуют элементы теоретического учета влияния амплитудных искажений на спектр СИ, слабо разработаны принципы анализа пространственных импульсных и аппроксимации амплитудно-частотных характеристик оптического тракта СПТ.
Далее по аналогичной причине актуальными являются разработки элементов теории анализа спектров СИ различной формы, формирования отсчетов ВИ, характеристик ограничения протяженности МС в ПСС, принципов построения и анализа структур дискретизации ТВ изображений и других элементов теории преобразования и контроля СИ в СПТ, представленных в материале данной диссертационной работы.
Последовательное обогащение элементов теории преобразования СИ позволит в конечном итоге перейти к машинному проектированию функциональных элементов и СПТ.
Целью диссертационной работы является разработка и применение принципов, элементов и алгоритмов для сквозного теоретического анализа характеристик последовательности операций преобразования СИ в СПТ с учетом специфических особенностей функционирования последних, основных параметров и структуры СИ, условий контроля, передачи, воспроизведения и специфических искажений ВИ в элементах СПТ. Достижение поставленной цели обусловило необходимость разработки элементов теории анализа специфики изменений МС ВИ на входе СПТ с ограничением (по числу круга) операторов, описывающих относительные пространственно-временные преобразования объекта контроля в поле зрения СПТ, и разработки принципов выбора граничных параметров и характеристик в СПТ по форме частных характеристик МС СИ.
В области применения теоретических результатов целью диссер-
тационной работы является разработка эффективных методов и 'устройств обработки ВИ и контроля характеристик в СПТ с преобразованием спектра СИ.
Состояние вопроса и задачи исследования. Отечественными учеными внесен значительный вклад в разработку методов анализа-и выбора характеристик СПТ. Важное значение имели работы Катаева СИ. , Шмакова П.В., Новаковского СВ., Самойлова В.Ф., Кривошее-ва М.И., Игнатьева Н.К., Красильникова Н.И. , Цуккермана И.И., Брауде Г.В., Рыфтина Я.А. и многих, многих других представителей отечественной науки. И все же к настоящему времени не завершен процесс создания комплекса элементов теории преобразования СИ, позволяющего анализировать промежуточные и сквозные характеристики процессов функционирования СПТ различных типов и, следовательно, обеспечивать на этапе проектирования СПТ получение необходимого вида таких характеристик.
Для современной теории СПТ характерна асимметрия, возникшая из-за преимущественного развития методов анализа операций обработки одномерного СИ. Разработанные элементы теории преобразований одномерных СИ реально задают и тенденции, последующего развития элементов теории преобразования многомерных СИ, что связано с необходимостью взаимного сопряжения теоретических результатов, полученных на соответствующих (раздельных) этапах преобразований. Соответственно разрабатываемые элементы теории должны быть адаптированы к уже существующим элементам теории анализа операций преобразования СИ в СПТ или представлять собой частный или - общий случай по отношению к уже существующим элементам теории. Разрабатываемые элементы теории должны быть также жестко сопряжены с тонкой спецификой построения и функционирования СПТ.
Разрабатываемые элементы теории должны быть доступны широкому кругу пользователей, что определяет необходимость базирования математического аппарата теоретических исследований на традиционных для теории связи методах. Целесообразно, следовательно, продолжить дальнейшую разработку методов теоретического анализа с многократными последовательными переходами в спектральную область и обратно. При этом облегчается учет частных преобразований СИ идентичных видов, осуществляемых на различных этапах функционирования СПТ.
Безусловно актуальными являются разработки СПТ с предварительной обработкой СИ в оптическом тракте. Выигрыш в данном случае в первую очередь, по-видимому, скажется на энергопотреблении и качестве работы СПТ. Недостаточное внимание в связи с этим уделяется в настоящее время разработке методов теоретического исследо-
вания специфики МС объектов с предварительными преобразованиями их структуры во входном (оптическом) звене СПТ. Такое преобразование трансформирует структуру спектра контролируемых объектов и, в конечном итоге, задает рабочие характеристики реальных СПТ.
Слабо отражены также в технической литературе элементы теории преобразования ВИ в оптическом тракте современных СПТ, недостаточно разработаны методы исследования МС объектов заданной формы, в неполном объеме представлены элементы теории дискретизации СИ, анализа характеристик преобразования "свет-сигнал" и др.
Методы исследований. На основе использования многомерных преобразований Лапласа и Фурье в работе исследуются спектральные и спектрально-временные характеристики преобразований ВИ в СПТ. Прямой анализ при этом затруднён значительной сложностью математического моделирования и исследования соответствующих процессов. Упрощение задачи достигается за счёт использования параметрического описания характеристик процесса преобразования СИ, переходами к полярным и другим видам систем координат и параметрических сечений, преобразования Ганкеля и т. д.
Приближённое описание характеристик и сигналов осуществлялось на основе разработанного метода дискретно-ступенчатого представления с последующей свёрткой одномерных и многомерных функций при нормировании и учёте результатов дифференциального ана-. лиза характеристик. Интегральное преобразование (свёртка) на завершающем этапе подавляет ошибки дискретно-ступенчатой аппроксимации и анализа в одномерном и многомерном пространствах.
Свёртка многомерных и одномерных функций использовалась также при разработке элементов теории формирования отсчётов и ансамбля отсчётов в СПТ.
Сочетание теории интегральных преобразований с дискретно-ступенчатым представлением характеристик в трёхмерном пространстве позволило разработать метод анализа действующей апертуры и характеристик ПСС различных типов. Элементы теории дискретизации и цифровой обработки СИ в многомерном пространстве были трансформированы с учётом реальных условий функционирования СПТ. В ходе разработки элементов теории преобразования СИ применялись также методы, основанные на таких направлениях, как теория передачи изображений, радиотехнических цепей, численных и итерационных методов, систем и сигналов, функций комплексной переменной, функций и функционального анализа, линейная алгебра и геометрия.
Научная новизна работы. В процессе работы над материалом диссертации получены следующие новые научные результаты:
1. Показана целесообразность использования параметрической
фиксации последовательности плоскостей (плоскости), последовательности линий (линии) или точек (точки) в анализируемом информационном пространстве при выполнении многомерного преобразования Фурье и исследования характеристик, соответствующих заданным пространственно-временным изменениям в структуре обьектов наблюдения.
-
На основе параметрического подхода и учета действия операторов пространственно-временных преобразований в виде соответствующих изменений координат, положения, масштаба и формы контролируемых обьектов в информационном пространстве получены общие соотношения, позволяющие выявить специфику соответствующих трансформаций в структуре МС обьектов и оценить предельные параметры МС с учетом формы и ориентации областей анизотропии последнего, возникающих в обьеме информационного пространства.
-
На основе параметрического подхода и учета действия операторов масштабно-пространственных преобразований доказана возможность возникновения в структуре МС СИ "взаимной трансформации пространственных частот", отражающих горизонтальную и вертикальную структуру контролируемого обьекта.
-
Показана эффективность использования при анализе и выборе характеристик и предельных параметров элементов обработки ВИ в СПТ переходов к исследованию дифференциальных составляющих, соответствующих анализируемым характеристикам, и обратных переходов.
-
Разработана методика дискретно-ступенчатой (переодической и непериодической) аппроксимации многомерных характеристик и использования при анализе характеристик свертки аппроксимирующего ряда с весовой функцией. Выбор аппроксимирующего ряда сопряжен с выбором весовой функции. Обоснованы требования к характеристикам и параметрам весовых функций.
ч6. Определены принципы анализа спектральной плотности двумерных функций ограничения различных типов с последовательным выполнением в спектральной области ряда простейших преобразований, являющихся отражением соответствующих преобразований в реальной области, конечным результатом совокупности которых является анализируемая функция ограничения.
-
Результаты исследования спектральных характеристик одномерных и двумерных функций ограничения различных конфигураций с использованием мультипликативного усечения протяженности типовых (идеализированного типа) функций ограничения.
-
Доказана справедливость положения о том, что особенности изменения формы действующей апертуры в пространстве растра электронно-лучевого ПСС (ЭЛ ПСС) могут быть выявлены за счет
анализа изменений формы действующей апертуры во времени в фиксированной точке пространства растра.
9. С использованием аппроксимации апертурной характеристики
и апертуры получено новое соотношение, устанавливающее в ЭЛ
ПСС связь между апертурной характеристикой и периодом строк рас
тра, и разработан численный метод анализа формы действующей
апертуры и, следовательно, апертурной характеристики, базирую
щийся на общепринятой модели, параметрах и характеристиках ЭЛ
ПСС.
10. Результаты анализа особенностей ограничения прост
ранственного спектра (ПС) сигнала изображения в матричных преоб
разователях "свет-сигнал" (МПСС).
11.Принципы, методы и результаты анализа характеристик спектра структур дискретизации СИ.
12. Методы и результаты анализа, особенности выбора и контроля характеристик и параметров элементов обработки ТВС в СПТ.
13.Новые способы, алгоритмы и устройства обработки ВИ в СПТ с преобразованиями спектра СИ.
Практическая ценность исследований и их применения . Практическая ценность диссертации состоит в том, что разработаны новые методы анализа, использование которых позволяет осуществить обоснованный выбор параметров и формы характеристик конкретных элементов и последовательности элементов обработки ВИ в СПТ и создает основу для построения соответствующих алгоритмов и устройств, отличающихся высокой эффективностью работы.
Включенные в диссертацию результаты получены в ходе выполнения в 1970-1993г.г. научно-исследовательских работ в соответствии с постановлениями СМ СССР N915-301 от 14.11.78г., ГКНТ СССР N1370 от 04.11.1991г., приказом Министерства науки, высшей школы и технической политики РФ І 788Ф от 31.03.1992г., а также в соответствии с х/договорами с предприятиями НИИ телевидения, МНИ-ТИ, ВНИИТР, ПО "Астрофизика", НПО "Физика", ЦНИИМАШ, ЦНИИТМАШ, НИИСТ МВД, ОКБ МЭИ, НПО "Орион". Практические применения находят следующие результаты работы:
- методика и результаты исследования структуры МС контроли
руемых обьектов;
- алгоритмы согласования предельных параметров МС и харак
теристик при анализе элементов обработки ВИ в СПТ;
- алгоритмы аппроксимации характеристик при анализе элементов
обработки ВИ в СПТ;
- разработанный способ аппроксимации характеристик при ана
лизе СПТ с использованием свертки аппроксимирующего ряда и ве
совой функции (ряда весовых функций);
- алгоритмы исследования и выбора характеристик многомерных
функций ограничения протяженности СИ и спектра;
- методика, результаты исследования и согласования характерис
тик статической и действующей апертуры ЭЛП с параметрами растра
в СПТ;
результаты исследования характеристик и параметров элементов обработки ТВС в видеотракте СПТ;
результаты анализа методов контроля характеристик и параметров элементов обработки сигнала в СПТ;
- разработанные новые алгоритмы, способы, устройства обработ
ки, преобразования СИ и контроля характеристик элементов СПТ.
Результаты диссертационной работы использованы и внедрены на предприятиях: НИИ телевидения, ВНИИТР, ПО "Астрофизика", ОКБ МЭИ, НИИСТ МВД и др., в работах аспирантов, в учебном процессе.
К ним относятся следующие результаты, полученные при применении разработанных в данной работе методов анализа характеристик элементов обработки ВИ в СПТ:
- принципы построения,алгоритмы работы и выбора характерис
тик элементов формирования,обработки и преобразования СИ в СПТ,
предназначенных для автоматического выделения сигнала изменений
во времени, соответствующего контролируемым объектам;
алгоритмы обработки видеосигнала в СПТ с масштабно-пространственными преобразованиями спектра ТВ изображения;
алгоритмы преобразований сигналов в СПТ со сжатием спектра на основе многомерной дискретизации по группам элементов;
выбор характеристик и параметров элементов формирования, преобразования и обработки СИ в СПТ высокого пространственного, временного и пространственно-временного разрешения;
алгоритмы последовательного контроля характеристик СПТ;
новые способы и устройства формирования, обработки и преобразования СИ и контроля характеристик элементов для СПТ различного назначения. Формы и объем внедрения результатов подтверждены соответствующими актами.
Основные положения, выносимые на защиту диссертации. 1. Методы, результаты и принципы оценки результатов качественного анализа МС СИ с параметрической фиксацией одного, двух и более направлений в информационном пространстве и соответствующей дискретизацией исследуемой функции для ограниченного круга операторов преобразования ВИ, выбранное число и типы которых обеспечивают учет основных вариантов анизотропного преобразования структуры МС изображений в современных СПТ.
2. Дискретно-аналоговые методы приближенной аппроксимации
характеристик элементов обработки ВИ в СПТ с изменением порядка и точности аппроксимации и с интегральной оценкой последнего из указанных параметров и принципы подавления ошибок приближенной аппроксимации.
3. Методы, алгоритмы и результаты анализа спектральной плот
ности многомерных функций ограничения различных типов с исполь
зованием усечения протяженности типовых функций ограничения.
-
Принципы выбора и коррекции формы функции (ансамбля функций) ограничения.
-
Разработанная методика, полученные соотношения и результаты анализа временных, апертурных характеристик и действующей апертуры в электронно-лучевых (матричных) ПСС.
-
Общие принципы, методы и результаты анализа характеристик спектра структур дискретизации СИ.
-
Методика согласования спектральных характеристик многомерных структур дискретизации и спектра СИ.
-
Результаты, алгоритмы и особенности применения разработанных методов анализа для выбора, расчета и контроля характеристик и параметров СПТ и элементов ТВ аппаратуры.
9. Новые алгоритмы, способы, устройства обработки, пре
образования СИ и контроля характеристик элементов в СПТ.
Апробация и публикации результатов работы.
Материалы диссертации были доложены на следующих конфе
ренциях и семинарах: ,
II Всесоюзная Школа-семинар "Статистические свойства микроструктур", г.Москва, 1971г.;
научно-техническая конференция.посвященная дню работников связи и 50-летию образования СССР, г.Куйбышев, 1972г.;
III Всесоюзное научно-техническое совещание, г.Москва, 1980г.;
Всесоюзная научно-техническая конференция, г.Львов, 1984г.;
Всесоюзная научно-техническая конференция, г.Рига, 1986г.;
Всесоюзная научно-техническая конференция, г.Новосибирск, 1986г.;
Республиканская научно-техническая конференция "Техника и современность. Этапы развития и основные направления совершенствования", г.Ташкент, 1988 г.;
Всесоюзная научно-техническая конференция, г.Минск, 1988г.;
XIII Mezinarodni symposium "Interkamera", Praha, 1989;
- IV Межрегиональная научно-техническая конференция "Совершенствование технической базы, организации и планирования телевидения и радиовещания", г.Москва, 1992г.
Включенные в диссертацию основные научные результаты опубликованы в 39 статьях в периодических изданиях и книгах,
выпускаемых центральными и ведомственными издательствами, отражены в 56 авторских свидетельствах.
Структура и объём работы.
Работа состоит из введения, 8-ми глав, заключения, списков основных обозначений и аббревиатур, содержит 450 страниц машинописного текста, 69 рисунков (на 72 листах), список литературы (включающий- наименования отечественных и зарубежных источников, в том числе 95 работ автора) на 14 страницах.
