Анализ характеристик формирования составляющих сигналов изображений цветного и спектрозонального телевидения Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

У

Анализ характеристик формирования составляющих сигналов изображений цветного и спектрозонального

телевидения

Ключевые слова: спектрозональное телевидение, электромагнитное излучение, светофильтры, ТВ-изображения.

Реальные характеристики светофильтров цветовых составляющих сигналов телевизионных (ТВ) изображений в диапазоне (по направлению) длин волн контролируемого электромагнитного излучения обычно не являются идентичными по форме и по площади. Увеличение протяженности характеристик светофильтров приводит к существенному снижению насыщенности цветных ТВ-изображений. Падение уровня и сужение — к потерям в интенсивности сигнала составляющей и, следовательно, также отражается снижением качества ТВ-изображения, обусловленного увеличением заметности шумов. Общая совокупность спектральных характеристик светофильтров и соответствующих составляющих сигналов основных цветов фактически отражает результат дискретно-интегрального ТВ-контроля распределения мощности излучения от длины волны в каждом элементе сигнала изображения и определяет качество передачи составляющих основных цветов при их воспроизведении. Поэтому разработка методики для осуществления относительной оценки характеристик светофильтров позволяет или выбрать вариант из уже реализованной, избыточной по числу, совокупности реальных светофильтров или обеспечить необходимые изменения параметров формы характеристик светофильтров при их разработке. Целесообразно учесть и изменения действующих характеристик светофильтров, обусловленные взаимной обработкой полученных сигналов составляющих основных цветов сигналов ТВ-изображений в пределах их общей совокупности. С использованием конкретного варианта характеристик светофильтров рассмотрены основные этапы (методика) выполнения относительной оценки характеристик светофильтров на основе аналитического сопоставления соответствующих спектров. Показана степень влияния взаимной относительной обработки полученных сигналов составляющих основных цветов на эффективность видеоконгроля. Разработан соответствующий алгоритм выполнения анализа и получены необходимые расчетные соотношения. Представлены результаты проведенных вычислений.

Безруков В.Н.,

МТУСИ

В современных телевизионных (ТВ) преобразователях “свет-сигнал” фактически объединены операции селекции и ограничения по протяжённости каждого отсчёта, соответствующего заданной длине волны электромагнитного излучения. При этом имеет место накопление указанных отсчётов в течение времени каждого кадра (во времени, в пространстве каждого светочувствительного элемента и по цветовому направлению) и детектирование функции со считыванием соответствующего сигнала цветовой (спектрозональной) составляющей [1, 2]. Если, например, определена в прямоугольной системе координат функция входного воздействия, отражающая распределение мощности электромагнитного излучения от объектов д(х,у,г,ґ,Л), то операция селекции видеоинформацион-

ного сигнала, соответствующего заданному диапазону длин волн, определяется зависимостью чувствительности системы ТВ контроля объектов от длины волны, т.е. по направлению Л ■ Форма соответствующей функции /(Я)

в реальных системах определяется последовательным действием спектральных характеристик промежуточной, между объектом и ТВ камерой, среды, элементов оптической системы, и светофильтров (зональных по направлению Л фильтров) и светочувствительных элементов. В условиях параллельного анализа зональных составляющих от общего воздействия такая функция общей спектральной чувствительности системы может быть представлена в виде соотношения:

ЛЯ)«2>,(Л)«£*,<л-4,)’ (1)

1=1 /=1

где gl(Л — Лi) - характеристика зональной чувствительности отдельного параллельного канала системы видеоконтроля; Я, - центральная частота отдельной спектральной зоны.

Тогда общий интегральный сигнал д0(х,у,г,1) на выходе оптической системы или его отдельные (интегрального или дифференциального типа) составляющие в таком случае могут быть сформированы за счет алгебраического суммирования (с весовыми коэффициентами а.) зональных составляющих:

00

дп (дг, у, г,1)= | /(Л) • ?(д:,у,г,/,А)с/А =

О

оо „ „ (2)

= / I а^ЛЛ-Л.)^(х,у,г,1>Л)с1Л = £ о (х,у,г,/)

О /=1 1=1

За счет относительной взаимной весовой обработки полученных зональных составляющих могут быть оптимизированы характеристики их селекции.

Согласно соотношению (2.), уровень сигнала каждой отдельной зональной составляющей определяется площадью ДЛ-Л,.), т.е. сквозной характеристикой зональной

чувствительности отдельного параллельного канала системы видеоконтроля.

Однако реальные функции селекции отсчётов каждой из цветовых составляющих сигналов ТВ изображений в диапазоне (по направлению) длин волн обычно не являются идентичными и по форме, и по площади. Последний параметр, величина которого зависит от потерь в светофильтре и от протяжённости его характеристики ограничения в диапазоне длин волн контролируемого излучения, в значительной степени определяет уровень сигнала цветовой составляющей. Возрастание потерь в светофильтре при этом сопровождается снижением уровня сигнала цветовой составляющей и соответствующим возрастанием влияния шумов, вносимых при реализации его необходимого усиления. Увеличение протяженности спектральных характеристик приводит к существенному снижению насыщенности цветных ТВ изображений. Их сужение - к потерям в уровне сигналов составляющих и, следовательно, также отражается снижением качества изображения,

У

обусловленного возможным увеличением заметности вносимых шумов.

Общая совокупность спектральных характеристик светофильтров отражает результат дискретно-интегрального контроля распределения мощности излучения от длины волны в каждом элементе изображения и фактически определяет качество передачи составляющих цвета в структуре воспроизводимого сигнала ТВ изображений. Поэтому разработка принципов осуществления относительной оценки характеристик светофильтров позволяет или выбрать вариант из уже реализованной, избыточной по числу, совокупности светофильтров или же обеспечить реализацию характеристики, являющейся необходимым приближением к заданному, за счёт предварительной аналитической оценки, виду.

По существу характеристика светофильтра gl(Л) является его импульсной (ИХ) характеристикой |1|. Входным воздействием в данном случае отражается изменение сигнала в зависимости от величины Л ■ Если входное воздействие функция, отражающая распределение мощности электромагнитного излучения от объектов д(х,у,г,(,Л) и характеристики всех светофильтров ( £ (Я)) идентичны, то степень влияния селекции по аргументу Л может быть оценена при фиксации всех иных четырёх, из пяти (х,у,/,г,Л) , аргументов сигнала изображения: (х = Х/,у = у = 1^ •

При этом у(х = х„у = у),1=1,,Л) = с1 (Л) отражает изменение электромагнитного излучение в точке (отсчёте) на объекте в фиксированный момент времени. Преобразованная за счёт фильтрации по аргументу Я функция

с/ (Я) имеет следующий вид:

Ы&)*. (*-&)<*£

А ’

(3)

Ару ' 1

Г —00

Значение реального уровня спектрозональной составляющей исходного электромагнитного излучения на ьой конкретной длине волны ЛI имеем из (3), когда ^ (Д)->й'(Я-Я ) • В общем случае имеем интегральное

А

значение:

Аі

(4)

Характеристики ^ (д) совокупности реальных све-

тофильтров чаще всего имеют относительно большую протяжённость и существенно отличаются по форме при выбранных значениях А. [2, 3, 4]. Преобразование Фурье

характеристики g (X-А ) реального светофильтра определяет по существу коэффициент передачи К (а),) фильт-

Л

ра низких частот, ограничивающего протяжённость спекгра 5(<у ) функции а (з) в каждой точке внутрикадрового я Ар/ '

пространства. Соответственно, чем больше эквивалентная протяжённость функции g 0-/1,), тем большей является А/

степень относительного усреднения (интегрирования) функции (Д) при формировании всей дискретной сово-Я/

купности отдельных отсчётов, отражающих динамику преобразованной функции q (А)- Па рис 1 показаны совокупность характеристик^ (А-А,) светофильтров реальной ТВ камеры [4].

0.5 •

400 500 600 700 Л.ійі

Рис.1. Характеристики светофильтров телевизионной камеры

Чаще всего (рис. 1) эквивалентные характеристики g (А-А ) светофильтров реальных ТВ камер имеют Аі

близкую к треугольной форму с выраженной асимметричностью. С использованием результатов, представленных в работе [1], осуществим анализ соответствующего подобным функциям спектра, который, собственно, и определяет соответствующий коэффициент передачи К (а^)- Первоначально при этом определим максимально возможное значение граничной частоты спектра, соответствующего совокупности g (Д _ Д ) рис. 1. Ми-

Аі

нимальную длительность по уровню 0,5 (=>60 10“^/ ) в рассматриваемом случае имеет характеристика £?(Я-Я,)> соответствующая длинноволновой составляющей красного (/?) основного цвета. Аппроксимируем её треугольной функцией, которая имеет по уровню 0.5 длительность ДЯ»60 10~^/ . Нормированный спектр такой функции отражается известным соотношением

- -|2 $\п2-л-/ -(0,5-ДЯ)

А

С (/ ) = II Я

2 л--/ -(0,5-ДЯ) А

и показан на рис. 2 пре-

рывистой линиеи.

1.1x10

&<ю'

5x10"

2x10'

-1x10'

11

1 -и- і —-На і \\ і \

(\ і \

і \

х10

-<«10

0x10

3x10

1x10

Рис. 2. Характеристики спектра аппроксимирующейд )

треугольной функции (прерывистая линия) и коэффициента передачи интерполирующего фильтра (сплошная линия)

В соответствии с результатами, представленными на рис.1, минимальная величина частоты дискретизации импульсных характеристик светофильтров основных цветов может быть определена значением г 5 і пе^'

</ .VI

(д 2о |0-9). Принимая А- =0> представим характе-

’Аі!

т

ристики основных цветов (синего(Я), зелёного(С) и красного) 8в(Л-А1)^£(А-А,)^*(Л-А1) в дискретном

(с периодом д ,) виде: а

4а (я)=4 (пХ</) • **-пХ<1 >=

= 2? е? (пХ,)$(.Х-пХ,')= 2? «„ 5(Л-иЯ.)

И=—' а ' а П=—“

4а (а) = ^ ^ (*А4) «СА- =

к~2 Аи

= Е, (*А ,) *(А-*А,) = Е рд.5(А-*А,)

А ' «' * *1=-^ * а

& w!" „2., *£ (* АJ*А - * v=

т* £/ \ ”Ъ

= ■ (*Л^) *А " * А*) = ■=?*, * 5(А‘ * V

(5)

При этом по амплитуде функции £<Л1 ('О ’ Хс1А ( '0 ’ £ М ('О отличаются от нулевых значений

соответственно в точках (Л = п-А ,к-А ,т-А ) выборки от-

*у с1' <1

счётов

|-100; -80; -60; -40; -20; 0; +20; +40; +60| I О-9,

|—80; -60; -40; -20; 0; +20; +40; +60;+80; +100;+120| 10-9 и

|—60; —40;-20; 0; +20; +40; +60;|• IО-9 • Распределения амплитуд

отсчётов функций (д), glj^ (д), gBд (д) на указанных

длинах волн определяет сопутствующие изменения коэффициентов а. , р. и г}.:

| 0,044;0,133; 0,265; 0,619; 0,973; 1,0; 0,938; 0,619; 0,088|;

| 0,013;0,111;0,354;0,832; 1,0; 0,761; 0,319; 0,15; 0,08; 0,044:0,022 | и | 0,053:0,442;0,814; 1,0; 0.85;0,354;0,035 |. С учётом соотношений (5) и распределения отсчётов определим спектры дискретизованных функций^ (д), (д), г ® (д)

следующим образом:

^(/Д) = Х“П еХР(2^'^

рл(/я>ш*|_/* ехр(2;г/л '* л</): ей(/я)=т|_з'7'”ехр(2^/я'т^)‘ (6)

Выделение огибающих функций *&(А)’ *Ил(Л)' 8пи(Л) реализуем с использованием фильтра, имеющего ИХ в виде:

г(А) =

2А

\>\)

2Л

,^01

2А

(7)

С учётом соотношения (7) получим, для варианта с нормированием, характеристику коэффициента передачи такого фильтра низких частот:

5т(0,5-г«д -)

°'5<ах\я (В)

На соответствующем графике рис. 1 показано, что при до| ^ДО-Ю-9,/^, = 20Ю-9/. характеристикой (сплошная

f11 |'sin(0,5e>^/i01)'|I sin(<u^ -<01)')1

ll-rj [1 °-5-дЛі J Г (оЛЛ01 J,

линия) /г(у.) фильтра обеспечивается надёжное подавление составляющих спектра (пунктирная линия) функции Я*. (Я) и, следовательно, функций ^ (д), . (д) на

частотах, равных 0 5-/" и > ( • Следовательно, характе-

’ •’а •’а

ристики светофильтров и их спектры могут быть, с некоторым приближением, представлены соотношениями:

*Л0 (А) “ *°А (*)•**>• 8*0 (*) “ *%Х (*)•**>•

*Я0 (Л)-*|д(Л)®КЛ); (9)

^(/д) = ^(/д) ^(/д)-^(/д) = И(/д)^(/д)' ф/д) = ей(/д)^(/д)-

(10)

модулями

спектров В<

Нормированными ^(/д) = |^С(/д)| = |^(/д)Фо(0)|’ КМХ) и *£</д> на рис. 3 отражаются амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) фильтров низких частот, ограничивающих протяжённость (по оси о/.) спектра светового воздействия при выделе/I

нии отсчётов (сишалов составляющих основных цветов) по направлении 0А. Согласно рис. 2, расстояние по оси 0А между максимальными значениями характеристик ИХ светофильтров

величинами

определяются

Л*«;=-Ъ=|02-,(Г")’ двя="л/гв=17°',ог91 •

кЛсЛк,*

agr~ д«с=68'10

,-9.

Рис. 3. Расчётные АЧХ светофильтров:

1-характеристика К%(/,)Л-(/.) и 2-К%(/л)

С учётом этого определим относительные корректирующие преобразования характеристик светофильтров, представленных соотношениями (9) и (10) следующим образом:

8?(А) = Го 8%(А) + Л '£до('*~\;/?) + ^'£ло(/1 + ,*Сд)’

8?(А) = Ро 8д0(*) + Н *До(/? + /?Лс) + ^- '*гЛо(/1 + /а7?в)’ Ч (^)= А) ’8до(А)+Р,'£до(д “ЛВС)+ ^ • ?до(Я~ ЛВЯ)'

(П)

С учётом соотношений (11) определим спектры функций £р(д), £,й(/1). gfl(A) следующим образом:

- Г0 е&ГлНп 0§(/х) ехр(-. 2* '/*•*<*>+

+г2 1 2*/д, Хав)

= ^ +^(/А)ехК» 2ж./л Л-йо;) +

+<^2 во(/х'>е*№ ХРВ~>

ЯИ)^А> = Л) ЛВ<5>+

+Рг ^(/л)еч<-.- -2* /л (12)

Графиками I, 2, 3 рис. 4 и рис. 5а,б представлены результаты вычисления вариантов нормированных амплитудно-частотных характеристик ,, . 4н></л ’ *

^°о(0)

т

К*,г , о”01'л>'гв,, фильтра низких час*" “* е*Яо<0) *” А е*о<0)

тот, реализующего в данном конкретном случае выделение й.Я.В составляющих ТВ сигнала по направлению О Л . Вычисление выполнено с использованием корректирующего преобразования в соответствии с соотношениями (12). При этом графиками 1 показаны исходные, без корректирующего преобразования, характеристики селекции, т.е. при Го = |.о.Г|=о,г2=0. //0 = 1.0.//1=0.//2=0.

/>0 = 1.0,р1 = 0. />_, = 0 . г рафиками 2 и 3 - с корректирующим преобразованием при у - ] о./^ = -0.14, у., = -0.09 ! /у„ = 1.0, //. = -0.17, //_ = 0.025 ; = 1.0, р. = -0.08, р7 = 0.02

и /0 = 1.0.у] =-0.2, г2 =-0.191 ^=1-°,^ =-0272,^=005.

р0 = 1.0, р. = -0.18. А, = 0.05

Рис. 4. Расчётные АЧХ светофильтра составляющей О: 1 - без корректирующего преобразования; 2 - с корректирующим преобразованием при у^ = 1.0,у^ =-0.14, у^ = -009; 3-с

корректирующего преобразованием при к, =1.0, У^ =-0.2, у^ = 19

Квк„

а)

Рис. 5а,б. Расчётные АЧХ светофильтров составляющих К и В:

а) составляющая Я: 1 - без корректирующего преобразования; 2,3 - с корректирующим преобразованием при

//0 = 1.0,//. = -0.17, /у, = 0.025 и ПРИ /10 = 1.0,/I. = -0.272.= 0.05 •

б) составляющая В: 1 - без корректирующего преобразования;

2, 3 - с корректирующим преобразованием при

р() = 1.0,р, = -0.08, р2 = 0.02 и ПРИ р0 = 1.0,р, = -0.18, р, = 0.05

Результаты вычисления свидетельствуют о том, что корректирующее преобразование существенно влияет на точность отражения (снижение степени усреднения по направлению 0Л) изменений распределения мощности электромагнитного излучения (входное воздействие) от объектов в каждой точке внутрикадрового пространства выделенными составляющими основных цветов G, R, В, соответствующих сигналам ТВ изображений. Для вариантов селекции без корректирующего преобразования (графики 1 на рис. 4, 5) характерно излишнее подавление высокочастотных составляющих спектра входного (по направлению 0Я ) воздействия и, следовательно, высокая степень усреднения изменений при формировании отсчёта, соответствующего данной длине волны. С другой стороны корректирующие преобразования при у0 = 1.0,^ =-0.2, ^ =-0.19; = 1.0, //j = -0.272, р2 = 0.05 >

pQ =1.0, =-0.18,/)-, =0.05 (графики 3 на рис. 4, 5) сопро-

вождаются излишним увеличением веса высокочастотных составляющих спектра входного воздействия нри выделении составляющих (отсчётов) основного цвета сигнала ТВ изображений. Это обусловливает излишнее “подчёркивание” изменений в структуре сигнала основного цвета по направлению 0Л. Соответственно наиболее близкими к оптимальному варианту селекции в рассматриваемом конкретном случае являются варианты корректирующего преобразования при =1.0,* =-0.14,у2 =-0.09 >

//q = 1.0.//| =-0.17, =0.025. р^ = 1.0.р. =-0.08, =0.02 .

которые не вносят дополнительного весового перераспределения в структуру спектра входного воздействия. Сопоставление полученных графиков на рис. 4 и 5 показывает, что эффективность действия корректирующего преобразования снижается при формировании сигнала составляющей В, что связано с наиболее низкой протяжённостью и симметричной формой характеристики соответствующего светофильтра.

Таким образом, разработанная и представленная в данной статье методика относительной оценки характеристик светофильтров обеспечивает решение достаточно широкого круга задач по выбору и оптимизации формы последних в системах вещательного и прикладного телевидения.

Литература

1. Безруков В.Н. Разработка и применение элементов теории преобразования сигналов изображений в системах прикладного телевидения. Автореферат диссертации на соискание учёной степени д.т.н.,.- М.: МТУСИ, 1996. —С.18-21.

2. Безруков В.Н. Ограничение спектра видеоинформаци-онных сигналов в системах телевидения // Т • Comm — Телекоммуникации и транспорт, 2011. - №9. — С. 17-20.

3. Новаковский С.В. Цвет на экране телевизора, основы телевизионной колометрии. — М.: Радио и связь, 1997. — 213 с.

4. Узилевский В.А. Передача, обработка и воспроизведение цветных изображений. - М.: Радио и связь, 1997. — 168 с.

The analysis of color and mullispeclral television component signals' formation characteristics

Bezrukov V.N., MTUCI, Moscow

Abstract

The real characteristics of TV component signals' color filters are usually not identical in the range (in the direction) of wavelengths both in form and on the area. Extension of the color filter characteristics leads to the significant saturation decrease in color TV images. Level decrease and narrow'ng - to component signal's intensity losses, thus it also results in TV image quality decrease due to the noise vsibility increase.