Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ основных преобразований и характеристик видеоинформационных сигналов в системах многопрограммного цифрового телевидения
1.1 Структурная схема построения систем цифрового телевидения 11
1.2 Преобразование видеоинформации в сигнал 12
1.3 Анализ процесса сжатия видеоинформации и возникающих при этом искажений 20
1.4 Ограничение пространственного спектра сигнала изображения 30
1.5 Анализ искажений испытательных сигналов, возникающих при ограничении спектра телевизионного сигнала 37
1.6 Влияние постоянной составляющей на результат измерений и ее компенсация 42
1.7 Снижение точности измерений при использовании клинообразной миры 48
1.8 Анализ методов измерения АЧХ функциональных элементов систем цифрового телевидения 50
1.9 Выводы 57
Глава 2. Разработка метода измерения ачх функциональных элементов систем цифрового телевидения
2.1. Анализ меходоа. измерений АЧХ, оодавалных.. на.форлшровании измерительных пачек
2.2 Математическое описание процедуры измерений 65
2.3 Анализ различных форм огибающей пачки синусоидальных коле- баний 68
2.4 Метод измерения АЧХ с использованием последовательностей га-уссовских импульсов
2.5 Перспектива улучшения испытательных сигналов в виде измерительных пачек 97
2.6 Выводы 100
Глава 3. Разработка структуры и метода формирования испытательных изображений в системах цифрового телевидения 102
3.1 Постановка задачи анализа испытательных изображений 102
3.2 Применение двумерного преобразования Фурье для анализа испытательных изображений 103
3.3 Математическое описание испытательных сигналов типа «мира» 104
3.4 Математическое описание испытательных сигналов типа «прямоугольник» 122
3.5 Математическое описание испытательных сигналов типа «восьмигранник» 136
3.6 Математическое описание испытательных сигналов типа «окружность» 148
3.7 Сравнение испытательных сигналов с точки зрения структуры дискретизации 160
3.8 Измерение низкочастотных искажений с помощью испытательных изображений 163
3.9 Метод формирования испытательных изображений 174
3.10 Выводы 180
Глава 4. Экспериментальное исследование испытательных изображений и разработка устройства формирования испытательных изображений 182
4.1 Экспериментальное исследование испытательных изображений... 182
4.2 Исследование испытательного сигнала типа «штриховая мира»... 189
4.3 Исследование испытательного сигнала типа «прямоугольник» 194
4.4 Исследование испытательного сигнала типа «окружность» 197
4.5 Разработка устройства формирования испытательных изображений 200
4.6 Выводы 203
Заключение 204
Список литературы 209
Приложение 215
- Преобразование видеоинформации в сигнал
- Математическое описание процедуры измерений
- Применение двумерного преобразования Фурье для анализа испытательных изображений
- Исследование испытательного сигнала типа «штриховая мира»...
Введение к работе
Актуальность темы. В цифровом телевидении при переходе от аналоговой обработки сигналов к цифровой появляется возможность увеличения помехоустойчивости телевизионных сигналов. При этом происходит расширение спектра телевизионного сигнала. Сохранение и даже увеличение эффективности использования частотного ресурса в системах цифрового телевидения достигаются применением цифрового сжатия спектра видеосигналов по стандарту MPEG-2. Для систем с использованием сжатия спектра по стандарту MPEG-2 характерно возникновение сопутствующих специфических искажений пространственно-временной структуры изображения. В настоящее время для контроля искажений, возникающих при сжатии, преимущественно используются тестовые изображения, представляющие собой реальные сюжеты. При этом отсутствует однозначность оценки появления искажений. Для эффективного контроля искажений, возникающих при цифровом сжатии спектра, необходимо осуществить разработку и выбор структуры испытательных изображений, с помощью которых возможно однозначное пороговое выявление искажений. Пространственная обработка видеосигнала, применяемая в цифровом телевидении, обусловливает необходимость осуществлять контроль искажений в различных направлениях по растру. За счет увеличения плотности спектра телевизионного сигнала и применения многопозиционной модуляции в цифровом телевидении (например, 64QAM в стандарте DVB-C) возрастают требования к точности контроля характеристик функциональных элементов систем цифрового телевидения. Соответственно актуальной в настоящее время задачей является разработка новых методов и устройства контроля искажений видеоинформационных сигналов и характеристик элементов оборудования систем цифрового телевидения.
Цель и задачи работы. Разработка метода эффективного выявления и контроля искажений, возникающих в цифровом телевидении при цифровом сжатии спектра видеосигнала по стандарту MPEG-2, и увеличение точности измерений АЧХ функциональных элементов систем цифрового телевидения.
б Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие научно-технические задачи:
Разработка структуры испытательных изображений для контроля искажений, возникающих при передаче телевизионных изображений в системах цифрового телевидения.
Исследование и разработка испытательных сигналов для контроля АЧХ функциональных элементов систем цифрового телевидения.
Разработка устройства формирования испытательного изображений.
Экспериментальное исследование искажений испытательных изображений, возникающих при сжатии видеоинформационных сигналов.
Методы исследования. При решении поставленных задач в работе используется теория цифровой обработки одномерных и двумерных сигналов, теория дискретизации сигналов; теория радиотехнических цепей; теория функций и функционального анализа. Применяются методы спектрального анализа Фурье и аналитическое описание процесса формирования испытательных сигналов и изображений.
Научная новизна работы.
Для увеличения точности измерений АЧХ и ФЧХ функциональных элементов систем цифрового телевидения разработан метод измерения указанных характеристик с колоколообразной (гауссовской) огибающей измерительной пачки.
Для оценки конкретных искажений испытательных изображений, поступающих на вход кодера MPEG, и относительного сравнения испытательных изображений предложена методика анализа их пространственных временных и частотных характеристик.
Разработаны математические модели пространственно-временных и пространственно-частотных характеристик испытательных изображений и выбраны критерии сравнения различных испытательных изображений.
Для контроля искажений разрешающей способности в различных направлениях телевизионного растра разработана соответствующая структура испыта-
тельных изображений, при применении которой обеспечивается пороговое выявление разрушения составляющих пространственного спектра на фиксированных частотах с определенной относительной амплитудой (контрастом).
Для контроля искажений низкочастотных составляющих разработана структура испытательных изображений, позволяющая фиксировать пороговый эффект появления ложных контуров при определенной крутизне изменения яркости в пространстве телевизионного растра.
Практическая ценность работы.
1. Разработан метод формирования испытательных сигналов для измерения
АЧХ и ФЧХ с использованием гауссовской формы огибающей функции, огра
ничивающей протяженность измерительной пачки в виде синусоидальных ко
лебаний фиксированной частоты.
2. Разработана структура испытательных изображений для визуальной
оценки качества работы системы цифрового телевидения.
3. Разработана структурная схема устройства формирования испытательных
сигналов.
Апробация результатов работы: Основные результаты были доложены автором и обсуждены на 4 научно-технических конференциях: на конференциях профессорско-преподавательского научного и инженерно-технического состава МТУСИ в 2002 - 2003 г.г., на международном конгрессе HAT в 2001 г., на конференции «Стратегии и пути развития систем кабельного телевидения» под эгидой ДРТС Минсвязи в 2002 г.
Публикации. Основное содержание изложено в 10 печатных работах.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа изложена на 216 страницах машинописного текста. Список литературы включает 70 наименований.
Основные положения выносимые на защиту. 1. Метод измерения АЧХ и ФЧХ функциональных элементов систем цифрового телевидения с использованием в качестве огибающих измерительной пачки последовательностей усеченных гауссовских импульсов.
Методика относительной оценки искажений испытательных изображений на основе анализа временных и частотных пространственных характеристик испытательных изображений.
Структура испытательных изображений для эффективного контроля искажений разрешающей способности в различных направлениях телевизионного растра в системах цифрового телевидения, за счет порогового выявления разрушения фиксированных составляющих пространственного спектра с определенной амплитудой (контрастом).
Структура испытательных изображений для выявления порогового эффекта возникновения искажений низкочастотных составляющих в системах цифрового телевидения.
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, охарактеризовано состояние исследуемого вопроса, определена цель, задачи и методы исследования. Сформулированы научная новизна, практическая значимость работы, а также положения, выносимые на защиту.
В первой главе приводятся основные аспекты преобразования аналогового телевизионного сигнала в цифровую форму и описание процесса информационного сжатия видеосигнала. Проанализированы основные алгоритмы кодирование телевизионного сигнала. При этом оценивается трансформация основных характеристик видеосигнала. Приведен анализ искажений испытательного сигнала «штриховой миры» при ограничении его спектра граничной полосой пропускания видеотракта. Показано влияние постоянной составляющей, присутствующей в спектре испытательного изображения на результат оценки искажений на определенной пространственной частоте. Показаны причины снижения точности оценки разрешающей способности на высоких пространственных частотах при использовании веерообразной штриховой миры. Оцениваются искажения, возникающие вследствие использования метода измерения АЧХ на основе использования ЛЧМ-сигнала.
Во второй главе рассмотрены методы измерения АЧХ функциональных элементов систем цифрового телевидения. Приведен сравнительный ана-
лиз различных форм огибающих измерительной пачки. Осуществлен выбор гауссовской огибающей. Показаны преимущества использования усеченной гауссовской огибающей по сравнению с другими, поскольку усеченный гаус-совский импульс обладает наиболее компактным спектром. Построены измерительные радиоимпульсы. Показаны искажения, которым подвергаются радиоимпульсы. Рассмотрен метод измерения АЧХ и ГВЗ функциональных элементов цифрового телевидения, основанный на параллельно-последовательной передаче измерительных пачек через исследуемый элемент. Рассмотрены перспективы увеличения точности измерения АЧХ посредством компенсации ступени усеченного гауссовского импульса, возникающей при его ограничении воввремени.
В третьей главе проводится анализ и выбор испытательных сигналов для контроля качества передачи сигнала изображения в системы цифрового телевидения со сжатием. Получены двумерные функции V(x,y), соответствующие им спектральные функции S(wx, wy) испытательных сигналов различных видов. Проведен анализ искажений пространственных функций, возникающих при пространственной обработке изображений. Определен критерий оценки эффективности испытательных изображений, на основе определения компактности пространственного спектра испытательного изображения. Проведен сравнительный анализ различных испытательных изображений для оценки разрешающей способности. Показано количественное сравнение искажений различных типов испытательных изображений, на основе определения максимального относительного отклонения амплитуды ступени пространственной функции испытательного изображения от его номинального значения. Проведено сравнения испытательных изображений, с точки зрения их согласованности со структурой дискретизации. Разработана структура испытательных изображений для порогового выявления искажений низкочастотных составляющих изображений. Разработан метод формирования испытательных изображений для контроля качества передачи видеоинформационных.
В четвертой главе проводится экспериментальный анализ испытательных изображений и искажений, которым подвергаются испытательные изобра-
жения. В качестве симулятора кодека JPEG используется программа разработанная в НИЛ-11 НИЧ МТУСИ. С помощью программы проводится обработка тестовых изображений с различными коэффициентами сжатия. Разработана структурная схема устройства формирования испытательных изображений.
Личный вклад: Все научные результаты, изложенные в настоящей диссертационной работе, получены автором лично.
Преобразование видеоинформации в сигнал
Если рассматривать черно-белое изображение, то сообщения источника изображений можно рассматривать как поток изображений V(x,y,t). V(x,y,t) - распределение световой энергии в плоскости х, у в момент времени t, размеры изображения по осям (х,у) ограничены.
В то время как исходное изображение источника является трехмерной непрерывной функцией координат (x,y,t), видеоинформация, формируемая передающей системой, образована пространственным разложением исходного. Разложение может характеризоваться соответствующей трехмерной функцией R(x, у, t). В соответствии с классическим методом формирования телевизионных (ТВ) изображений эту функцию в соответствии с рис. 1.2.2 можно представить как периодический во времени процесс разложения плоского поля изображения на систему горизонтально расположенных строк (например ТВ растр). Применительно к цифровому телевидению функцию разложения можно представить как процесс дискретизации в пространстве и во времени потока изображений, в результате чего выделяется система отсчетов, характеризующаяся дискретизирующей функцией изображения D(x, у, t).
Разложение неподвижного изображения V(x,y) на ТВ растр приводит в спектральной области к переходу от двумерного непрерывного спектра к двумерному дискретному спектру, характеризующемуся коэффициентами Ат.
Задача фильтра нижних частот Ф - ограничить пространственно-временной спектр исходного изображения перед собственно дискретизацией. В реальных телевизионных системах эту операцию осуществляет совокупность различных фильтров: это оптические устройства, работающие как фильтр нижних пространственных частот светового изображения, и электронно-оптические устройства и электрические фильтры, ограничивающие полосу частот сигнала изображения перед отсчетами в аналого-цифровом преобразователе.
Функция (1.2.14) отлична от нуля лишь в тех точках, где берутся отсчеты, -в узлах многомерной (пространственно-временной) дискретизирующей решетки. Входящие в состав значения Z0x, Zoy, Z0t можно трактовать как проекции некоторого вектора Zo на оси х, у, t. В ходе суммирования (при изменении значений ki, кг, кз) этот вектор обегает все точки пространства (х, у, t), в которых берутся отсчеты. Параметры ki, кг, к3 имеют смысл номеров элемента на строке, строки, поля соответственно; kjZix - смещение зондирующего элемента от отсчета по строке; k2Z2x - дополнительное смещение по горизонтали от строки к строке; k3Z3x - дополнительное смещение по горизонтали от поля к полю; k2Z2y - смещение зондирующего элемента по вертикали внутри поля чересстрочного растра; k3Z3y - дополнительное смешение по вертикали от поля к полю; k3Z3t — дискретные отсчеты времени от поля к полю.
Математическое описание процедуры измерений
Из полученного выражения (3.1.4) следует, что амплитуда гармонического сигнала фиксированной частоты COQ на выходе тракта изменяется пропорционально значению АЧХ на указанной частоте coot а фаза отличается от исходной на величину, определяемую значением ФЧХ тракта на этой частоте.
По отношению к контролируемыми АЧХ и ФЧХ результат преобразований может быть представлен следующим образом: KT(coa) = - —]KT(co)SK(co)dco; (2.2,5) О"" -да 2Un7t Рг К) = -rrrj \ Рт (U )SK (co)dco. В общем виде форма испытательного сигнала на входе исследуемого функционального элемента, представленного соотношением (2.2.1), определяется произведением гармонической функции и функции ограничения F(t).
Спектр испытательного сигнала при этом выражается сверткой спектров этих двух функций. Если спектр функции ограничения F(t) есть Ф (со), то можно записать по аналогии с соотношением (3.1.5) выражение для Кт(сой) в котором спектр испытательного сигнала S (со) представлен в виде свертки спектров SK (СО) и Ф (со). АГ"гЮ = —- \KT{co)S{co)dco = -i- jKr(a ) — /Ф - ЖЛу. (2.2.6)
Меняя в последнем соотношении (3.1.6) порядок следования операций интегрирования и с учетом четности функции Ф (со) получаем Кт(а 0) = -1— )uox№-co0) + S(t + coQ)]±- )ф(%-со)Кг(со)с1йх1 . (2.2.7) 2 о-І 2л-і Во второй части соотношения (3.1.7) имеет место свертка функций Кт(ео) и Ф(со). С этим сопряжено сглаживание отсчетов исходной формы АЧХ в про цессе проведения контроля, которое определяется действием свертки. При этом значение (отсчет) уровня АЧХ на любой текущей частоте фактически реализу ется последовательным ограничением (результат действия умножения в подын тегральном выражении свертки) участка функции АЧХ взвешивающим «ок ном», протяженность и вид которого определяется реальным спектром испыта тельного сигнала, и интегрированием результирующей (полученной умножени ем) функции в пределах от -оо до +оо. Следовательно, чем больше протяжен ность спектра функции ограничения испытательного сигнала F(t), тем в боль шей степени искажается интегральным усреднением результат контроля АЧХ в точке со=соо. Последнее обуславливает целесообразность увеличения дли тельности испытательного сигнала и соответственно уменьшение протяженности спектра функции ограничения. К тому же при сокращении длительности испытательного сигнала может возникать (как результат свертки) перекрестное усреднение ветвей характеристики КТ(со), отвечающих отрицательным и положительным частотам. Такой эффект сказывается при снижении несущей частоты CO=COQ, Т. е. при выполнении контроля точек АЧХ в области относительно низких частот.
Протяженность спектра самой контролируемой функцииКт(а ) ограничивается в процессе контроля за счет умножения на функцию F(t). Идеальное ограничение, как известно, целесообразно осуществлять функцией типа rect, т. е. форма функции ограничения должна быть прямоугольной. Недостаток выбора такой формы - значительная протяженность в временной области функции ограничения, который описывается функцией sinc(coT(/2), где т0 - длительность функции ограничения. Через sine ((от /2) обозначают функцию sinc(x) = sin(x)/x. При этом появляется вероятность зависимости результата контроля от структуры АЧХ в смежных по отношению к точке контроля областях. Может иметь место и упомянутое ухудшение точности контроля в области НЧ.
Таким образом, при выборе оптимальной формы синусоидальной пачки задача сводится фактически к определению оптимальной формы огибающей измерительной пачки. При обработке измерительных пачек именно свойствами огибающей определяются в конечном итоге свойства испытательного сигнала. Решая задачу оптимизации испытательного сигнала (измерительной пачки), мы фактически должны выбрать оптимальную форму огибающей синусоидальной пачки, основным критерием оптимальности пачки может служить компактность ее спектра. Ясно, что сделать бесконечно длинную пачку невозможно, поскольку мы ограничены временем анализа. Поскольку испытательный сигнал можно представить в виде произведения синусоидального сигнала на функцию ограничения мы можем осуществлять отдельный анализ огибающией. Получив огибающую с наиболее компактным спектром мы можем получить синусоидальную пачку с достаточно компактным спектром. Проведем анализ различных возможных форм огибающих синусоидальной измерительной пачки.
Как было показано в предыдущем разделе фактически необходимо провести спектральный анализ различных форм огибающих и выявить наиболее эффективную из них. В качестве альтернативы прямоугольной огибающей может быть предложены различные формы огибающих.
Задачей является сравнение спектральной эффективности данных импульсов. При анализе различных видов огибающих важной задачей является получение как можно более узкой пачки в сочетании с как можно меньшей протяженностью ее спектра. Таким образом, задачу нахождения оптимальной формы огибающей в общем виде можно свести к задаче получения оптимального соотношения длительности синусоидальной пачки и ширины ее спектра.
Мы уже установили, что чем короче импульс, тем шире его спектр, в частности, бесконечно короткий импульс имеет бесконечно протяженный спектр с равномерной плотностью. Прежде всего заметим, что общее представление о связи между протяженностями во времени и по частоте вытекает непосредственно из общего свойства преобразования Фурье. Положим, что функция f(t) имеет спектр S(w).
Вернемся к ранее рассмотренным импульсам и вычислим их длительности и ширины их спектров, основываясь на предположенном определении. Выбирая для д значение 0,9 получим следующую сводную таблицу.
Мы ограничимся лишь замечанием лишь одним замечанием по поводу этой таблицы: как видим, AtAf оказывается наибольшим для импульсов, характеризующихся разрывом функции f(t) (прямоугольной); меньшее значение AtAf получается для импульсов с разрывом в первой производной (косинусоидапь-ной) и, наконец наименьшее AtAf оказывается у колокольного импульса, отличающегося тем, что выражающая его функция непрерывна со всеми своими производными.
Применение двумерного преобразования Фурье для анализа испытательных изображений
Испытательные изображения описываются двумерными функциями. Поэтому при анализе испытательных изображений и их спектров мы будем иметь дело с двумерными функциями. Определив функции с помощью которых представлены испытательные изображения мы можем получить их пространственный спектр используя двумерное преобразование Фурье. Преобразование Фурье (или частотный спектр) комплексной функции g переменных х, у, которое мы обозначим символом F{g}, определяется выражением F{g}= J Ig(x,y)exp[-j2x(fxx + f,y)\bdy (3.2.1) -00-00 Преобразование такого вида представляет собой функцию двух переменных fx, fy, которые мы обычно называем частотами. Точно так же обратное преобразование Фурье функции G(x,y), которое будет обозначаться символом F !{G}, определяется выражением F-{G}= ))G(fx,fy)cxp\j2 fxx + fyy)\lfxdfy (3.2.2) Выражения (3.2.1) и (3.2.2) имеют смысл только при определенных условиях. Для некоторых функций эти интегралы могут не существовать в обычном математическом смысле. Из определенного числа условий достаточным для существования интеграла (3.2.1), как правило, используются следующие 1. Функция g должна быть абсолютно интегрируема по бесконечной плоскости ху. 2. Функция g должна иметь только конечное число разрывов и конечное число максимумов и минимумов в пределах любого прямоугольника конечных размеров. 3. Функция g не должна иметь разрывов второго рода
Испытательные изображения описываются двумерными функциями. Поэтому при анализе испытательных изображений и их спектров мы будем иметь дело с двумерными функциями. Определив функции с помощью которых представлены испытательные изображения мы можем получить их пространственный спектр используя двумерное преобразование Фурье.
Преобразование такого вида представляет собой функцию двух переменных fx, fy, которые мы обычно называем частотами. Точно так же обратное преобразование Фурье функции G(x,y), которое будет обозначаться символом F !{G}, определяется выражением F-{G}= ))G(fx,fy)cxp\j2 fxx + fyy)\lfxdfy (3.2.2) Выражения (3.2.1) и (3.2.2) имеют смысл только при определенных условиях. Для некоторых функций эти интегралы могут не существовать в обычном математическом смысле. Из определенного числа условий достаточным для существования интеграла (3.2.1), как правило, используются следующие 1. Функция g должна быть абсолютно интегрируема по бесконечной плоскости ху. 2. Функция g должна иметь только конечное число разрывов и конечное число максимумов и минимумов в пределах любого прямоугольника конечных размеров. 3. Функция g не должна иметь разрывов второго рода
Сигнал штриховой миры предназначен для оценки разрешающей способности. На основании анализа в Главе 1 можно считать, что фактически мы проводим оценку ПАЧХ системы цифрового телевидения. Для оценки ПАЧХ необходимо сформировать измерительную пачку. Отличие ее от аналогичной измерительной пачки для измерения АЧХ заключается в пространственном характере измерений. В общем виде испытательное изображение представляет из себя структуру, сформированную по определенному закону и офаниченному в пространстве растра определенной функцией или оператором офаничения. V(x,y) = K(x,y)-Flvp(x,y) (3.3.1) где К(х, у) функция, которой представлено сформированное испытательное изображение, Forp(x, у) функция офаничения заданного испытательного изображения.
Предположим, что штриховые миры являются идеальными. Пространственная частота fx в данном случае изменяется в соответствии с частотой изменения черных и белых штрихов. Яркость штрихов по вертикали в данном случае постоянна и равна либо максимальному (белое), либо минимальному (черное) значению. Пространственная частота fy в данном случае равна нулю.
Как видно из выражения функция К(х,у) является функцией двух переменных, но зависит от одной переменной. Вторая переменная является константой. Для удобства ряд математических функций, широко используемых в последующем изложении, следует особым образом обозначить. В качестве функции прямоугольного импульса принято обозначение функции rect. Выражение для функции последовательности двумерных импульсов перепишем через функцию rect.
Функция rect определяет прямоугольный импульс, с длительностью т и амплитудой, равной 1. При анализе пространственных функций испытательных изображений и их спектров, необходимо перейти к функциям, с помощью которых возможно математическое моделирование испытательных сигналов и их спектров осуществляется как можно более простыми способами. Функция rect является достаточно доступной функцией при проведении математического моделирования.
Исследование испытательного сигнала типа «штриховая мира»...
Пространственная частота штриховой структуры испытательного изображения на рис. 4.3.1, эквивалентна простран і ственной частоте испытательного изображения типа «штриховая мира» показанного на рис. 4.2.1. Как видно из рис. 4.3.1, в структуре испытательного изображения отсутствуют резкие переходы, характерные для испытательного изображения типа «штриховая мира».
Коэффициент сжатия в данном случае равен 7. Как видно, наблюдается незначительное размытие малоконтрастных деталей. Аналогично эксперименту с испытательным изображением типа «штриховая мира» наблюдается общее снижение четкости испытательного изображения. Для сравнения с искажениями испытательного изображения типа «штриховая мира» введем коэффициент масштабирования матрицы квантования 10. Результат обработки испытательного изображения типа «прямоугольник» показан на рис. 4.3.3. Испытательное изображение обработано с коэффициентом сжатия 42. Видно, что произошло разрушение малоконтрастной структуры испытательного изображения. При этом происходит равномерное разрушение штриховой структуры.
По мере увеличения степени сжатия, происходит разрушение все более контрастных деталей, в результате чего штриховая структура сливается с фоном. В результате чего обеспечивается достаточно значительная наглядность качества работы кодека. Для большей наглядности того, о чем идет речь, проведем обработку испытательного изображения с помощью кодека, с коэффициентом масштабирования матрицы квантования равным 20.
Коэффициент сжатия равен 83. При этом произошло полное разрушение значительной части испытательного изображения с небольшой контрастностью. Для более наглядного сравнения исходного и искаженного испытательных изображений на рис. 4.3.5 показано разностное изображение исходного и оригинального изображений. На разностном изображении хорошо заметны два пространственных периода штриховой структуры, соответствующих наиболее малоконтрастным деталям испытательного изображения. Так как они хорошо заметны на разностном изображении, они оказались полностью разрушены при обработке в кодеке. Фактически в данном случае по величине квадрата можно судить о качестве работы кодека.
Оценим визуально искажения испытательного изображения типа квадрат при оценке разрешающей способности в диагональном по растру направлении. Сформируем испытательное изображение, которое содержит на одном плане испытательные изображения типа «прямоугольник», одно из которых расположено ортогонально телевизионному растру, а другое повернуто относительно растра на угол 45. Каждое из элементов испытательного изображения, является ограниченным по пространственному спектру. Исходное изображение показано на рис. 4.3.6.
Для сохранения тех же градаций яркости размер квадрата был сохранен тем же. В связи с этим, горизонтальный и вертикальный размеры испытательного изображения оказались различными. Проведем обработку испытательного изображения с помощью кодека с коэффициентом масштабирования коэффициентов матрицы квантования равным 10. Результат преобразования показан на рис. 4.3.7. Как видно из рис. 4.3.6 в диагональном направлении произошло несколько большее разрушение структуры испытательного изображения по сравнению с вертикальным и горизонтальным направлениями.
Для большей наглядности эффекта разрушения структуры испытательного изображения проведем обработку испытательного изображения с коэффициентом масштабирования равным 20. Обработанное изображение показано на рис. 4.3.8. При значительном сжатии испытательного изображения (коэффициент сжатия в данном случае равен 127) штриховая структура в диагональном направлении разрушается значительно быстрее, что приводит к сравнению горизонтального и вертикального размеров испытательных изображений.
При сравнительной оценке видно, что ориентированная в диагональном направлении структура разрушается значительно быстрее, что свидетельствует о различных степенях усечения пространственно-частотных составляющих в результате сжатия. Диагонально ориентированные составляющие квантуются с большими коэффициентами в результате чего разрушение испытательного изображения справа на рис. 4.3.8 оказывается более существенным.
Испытательное изображение типа квадрат отвечает требованию отсутствия резких перепадов яркости в испытательном изображении. Аналогичным достоинством обладает испытательный сигнал типа «окружность», показанный на рис. 4.4.1. Для согласования ПАЧХ испытательного изображения с ПАЧХ видеотракта, как и в случаях предыдущих испытательных изображений необходимо провести дополнительное ограничение пространственного спектра испытательного изображения. Ограничение мы осуществим с помощью аналогичного фильтра.
Подвергнем испытательное изображение типа «окружность» обработке в кодеке со стандартными значениями матрицы коэффициентов квантования. Результат преобразования показан на рис. 4.4.3. Коэффициент сжатия для этого случая равен 7. На изображение на рис. 4.4.3 как и в предыдущих случаях можно отметить небольшое размытие штриховой структуры, характерное для JPEG. Подвергнем испытательное изображение типа «окружность» обработке с коэффициентом масштабирования равным 10. Изображение, обработанное кодеком показано на рис. 4.4.4.
На испытательном изображении типа «окружность» хорошо заметны искажения в виде блочной структуры. Как видно на рис. 4.4.4 ровная круговая штриховая структура преобразуется в многогранник. То есть при удалении высоких пространственных частот блоки с постоянным фоном становятся крупнее, что приводит к появлению блочной структуры хорошо заметной на данном испытательном изображении.
