CC BY
199
ИСКАЖЕНИЯ СИГНАЛОВ ИЗОБРАЖЕНИЯ В СОВРЕМЕННЫХ СИСТЕМАХ ТЕЛЕВИДЕНИЯ
Безруков Вадим Николаевич,
д.т.н., профессор МТУСИ, Россия, Москва
Попов Андрей Владимирович,
аспирант кафедры ТиЗВ, МТУСИ, Россия, Москва [email protected]
Аладин Владимир Михайлович,
аспирант кафедры ТиЗВ, МТУСИ, Россия, Москва [email protected]
Ключевые слова: искажения в изображениях, искажения видеоинформационного сигнала, искажения при сжатии изображений, искажения спектра, аддитивные искажения, мультипликативные искажения, муаровые искажения, геометрические искажения, блокинг-эффект, коррекция искажений.
Целью данной работы является оценка воздействия амплитудных, интегральных и нелинейных искажений на сигналы изображения в современных системах телевидения со сжатием спектра. Рассмотрено входное видеоинформационное воздействие в телевизионной (ТВ) системе, которое претерпевает многочисленные преобразования. Из-за действия операторов на входное видеоинформационное воздействие в оптической системе (ОС) имеют место масштабные, амплитудно-пространственные и амплитудно-частотные преобразования в реальной и спектральной областях. Чем больше степень пространственной и масштабной неравномерности коэффициента передачи ОС, тем больше интенсивность сопутствующих интегральных и нелинейных искажений пространственного спектра исходного видеоинформационного сигнала. Рассмотрено влияние отдельных операторов ограничения на структуру оптического воздействия. Показано, что особенно существенно влияние неравномерности затрагивает форму таких составляющих изображений, как периодические воздействия фиксированной пространственной частоты. Здесь возникают ассиметричные искажения формы и интенсивности соответствующих изображений. Искажения могут быть устранены коррекцией в электрическом тракте, но сохраняется сопутствующее данному фактору ухудшение отношения сигнал/шум, связанное с неэффективным использованием на краях внут-рикадрового пространства амплитудного диапазона преобразователей "свет-сигнал". Полученный сигнал ТВ-изображения подвергается в современных ТВ-системах сжатию спектра. Рассмотрена, с учетом характеристик и особенностей формирования сигнала ТВ-изображений, специфика искажений, возникающих при реализации сжатия спектра по стандартам JPEG и MPEG. Показано, в зависимости от характеристик фрагмента (его спектра) сигнала ТВ-изображений в пределах локального блока и их последовательностей, влияние изменений точности квантования составляющих спектра на заметность и параметры пространственных искажений. Рассмотрены особенности искажений пространственно-временной структуры ТВ-изображений при реализации сжатия по указанным стандартам. Определены направления снижения сопутствующих сжатию спектра искажений пространственно-временной структуры сигнала ТВ-изображений.
Для цитирования:
Безруков В.Н., Попов А.В., Аладин В.М. Искажения сигналов изображения в современных системах телевидения // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. - 2015. - №1. - С. 45-50.
For citation:
Bezrukov V.N., Popov A.V., Aladin V.M. Distortions of The Image Signals In Modern Television Systems // T-Comm. 2015. No.1. Рр. 45-50.
У
Формирование видеоинформационного сигнала для передачи его по каналам связи связано с большим количеством преобразований, каждое из которых вносит характерные искажения в структуру преобразованного сигнала. Определённая совокупность таких преобразований реализуется при формировании сигнала изображения в преобразователе "свет-сигнал" ТВ-системы, по схеме, представленной на рис. I. Здесь входное видеоинформационное воздействие поступает в оптическую систему {ОС), которая обладает определенной двумерной частотно-контрастной характеристикой и выступает в роли пространственного фильтра низких частот.
Очевидно, что отмеченные свойства ОС оказывают влияние на пространственную и частотную структуру входного видеоинформационного сигнала, а характер влияния подчиняется множеству операторов определяющих свойства ОС. Последствия воздействия ОС на сигнал проявляются в реальной, а также спектральной областях и обусловлены масштабными амплитудно-пространственными и амплитудно-частотными искажениями.
Ограничение протяжённости временного спектра видеоинформационного сигнала, соответствующего динамике изменения структуры изображений в последовательности кадров, реализуется за счёт накопления потенциального рельефа в преобразователе свет-сигнал в течение каждого кадра. Характеристики данного "временного" низкочастотного фильтра зависят от времени накопления,которое обычно не превышает длительности кадра.
И, наконец, ограничение протяжённости спектра, соответствующего динамике изменения структуры изображения по цветовому направлению, определяется характеристиками используемых светофильтров [1,2].
Одними из операторов, из множества действующих во входной части ОС, являются пространственные низкочастотные операторы мультипликативного типа.
Рис. I. Схема формирования цифрового ТВ-сигнала
Рассмотрим влияние отдельных операторов ограничения на структуру оптического воздействия. Воздействие на входе ОС представлено в виде суммы средней и переменной составляющих:
где Р - средняя составляющая воздействия, а - его переменная составляющая.
Для статического во времени варианта работы общий коэффициент передачи ОС является функцией, которая зависит от аргументов х, у и пространственных частот й)х,й)у> и с некоторым приближением, может быть определён произведением:
Кпос = кос К>')' Кпчх (*, У, ^х,а>у) ■ ^'• (1)
где Кд^Х^у} ~ зависимость коэффициента передачи от
координат х, у в плоскости изображений;
Кичх[х,у,(Ох,СО^ ~ зависимость коэффициента передачи от пространственной частоты в точке плоскости изображения с координатами х,у; <р{сох>с0у\ ~ фазовая характеристика ОС.
При фх _»0 и а>у-у 0 величина КП()с практически
определяется изменениями Кос{х,у\ в плоскости изображения (в пределах внутрикадрового пространства), т.е.
кпос=кос{х>уУ
Тогда воздействие на выходе ОС описывается выражением:
=Рй-К0С[х,у)Щх,у,^К0С{х,у).
(2)
Обозначим спектр функции (из соотношения (2)) Кос{х,у) как а спектР Фикции р{х,у,()> как
V [й) со со)■ Тогда результирующий спектр воздействия
на выходе ОС описывается следующим образом:
5п{о}х,(Оу,о}) = Р0 ■ $к(ох,ау) -+У((ах, е)у,т)®5к(сах,(Оу).
(3)
Таким образом, зависимость коэффициента передачи Кос[х,у\ от координат х,у в плоскости изображения
сопровождается появлением аддитивной и мультипликативной составляющих воздействий на выходе ОС, структура которых определяется видом Кос{х,у^■
Первая составляющая выражения (3) характеризует возникновение низкочастотных искажений фона, а вторая - интегрального усреднения (искажений) тонкой структуры спектра видеоинформационного воздействия.
Стоит отметить, что степень описанных интегральных искажений пространственного спектра видеоинформации,
Т-Сотт #1-2015
вызванных влиянием ОС, прямо пропорциональна ширине спектра пространственной неравномерности, описываемой коэффициентом передачи ОС. Особенно существенно влияние неравномерности затрагивает форму таких составляющих изображений, как периодические структуры фиксированной пространственной частоты. Здесь возникают ассиметричные искажения формы и интенсивности соответствующих изображений.
Искажения могут быть устранены коррекцией в электрическом тракте, но сохраняется сопутствующее данному фактору ухудшение отношения сигнал/шум, связанное с неэффективным использованием на краях внутри кадрового пространства амплитудного диапазона преобразователей "свет-сигнал".
Из-за низкочастотных искажений ТВ-изображения на совокупность смежных фоновых блоков накладываются низкоградиентные изменения сигнала фона по всем направлениям внутри кадрового пространства. Интенсивность соответствующих спектральных составляющих не является высокой и зависит от точности компенсации аддитивных искажений в ТВ-камерах, К сожалению, высокая точность компенсации обычно достигается в современных преобразователях "свет-сигнал" лишь для фиксированной освещенности сцены.
Изменения средней освещенности по отношению к данному уровню в реальных условиях обусловливает нарушение точности компенсации во внутри кадровом пространстве, что проявляется появлением участков фона с низкоградиентными изменениями уровня во внутрикадро-вом пространстве по отношению к среднему (интегральному) варианту компенсирующего сигнала. В результате появляются низкочастотные, по отношению к среднему уровню, изменения фона по фазе, т.е. «колебательного» типа при фиксированной освещенности сцены.
Следовательно, в исходных изображениях во внутри-кадровом пространстве существуют области смежных блоков, для которых характерны малоинтенсивные {«колебательного» типа) изменения фона, практически незаметные для зрительной системы человека. Составляющие пространственного спектра, отражающие эти изменения, отличаются по уровню в смежных блоках.
Для фиксированной степени сжатия по стандарту JPEG будет характерно полное пороговое подавление аддитивных низкочастотных составляющих спектра в тех областях внутрикадрового пространства, для которых характерно наличие экстремумов функций остаточных аддитивных искажений.
В пределах таких областей и может возникать ложная граница относительно большой протяжённости, связанная со спецификой кодирования по стандарту JPEG и обусловленная, в частности, полным подавлением второй, третьей и т.д. гармоник низкочастотных составляющих соотношения (3). Большая протяжённость во внутрикад-ровом пространстве определяет увеличение заметности подобного типа искажений.
Таким образом, в системах цифрового вещательного телевидения остаточные аддитивные искажения преобразуются в бопее крупные {во энутрикадровом пространст-
ве) области фоновых (ступенчатого типа) искажений исходного изображения. Соответственно, применение цифрового вещательного телевидения нуждается в ужесточении требований к ТВ-камерам по точности коррекции фоновых искажений.
При этом, используемые методы коррекции не должны приводить к появлению ложных, протяженных или локальных экстремумов в структуре фона. С другой стороны, должны быть разработаны эффективные, адаптивного типа, методы компенсации (устранения заметности) блочной структуры, возникающей в подобных участках внутрикадровой структуры текущих телевизионных изображений. Искажения типа блочности могут возникать и на участках изображений, заполненных мелкоструктурными элементами, из-за случайного разбиения их блоками при сжатии. Независимое ограничение пространственного спектра в данном случае может сопровождаться не только подавлением тонкой структуры, но и относительными изменениями постоянной составляющей в смежных блоках.
Дискретизация спроецированного (после пространственного низкочастотного фильтра) изображения совокупностью светочувствительных элементов матрицы преобразователя "свет-сигнал" сопровождается линейными и нелинейными искажениями,
К линейным, в частности, можно отнести апертурные искажения, возникающие при формировании ТВ-сигнала.
Во первых, ОС как пространственный фильтр низких частот не осуществляет формирование коэффициента передачи с высокоградиентным переходом от полосы пропускания к области подавления высокочастотных пространственных составпяющих в пространственном спектре изображения.
Во вторых, согласно (I) степень подавления высоких частот в таком фильтре обычно существенно возрастает на краях растра. И, в третьих, множество элементов светочувствительной матрицы представляет собой дискретную квазипериодическую структуру, которая обеспечивает преобразование входного видеоинформационного воздействия в электрический сигнал.
В процессе преобразования вносятся линейные искажения, уровень и характер которых опредепяется пространственно-частотной характеристикой распределения и зависит от размера светочувствитепьных элементов в матрице ПЗС [5]. При использовании большого размера элементов имеет место искажение мелких пространственных составляющих {рис. 2), что проявляется в виде дополнительного ухудшения пространственной четкости в изображении кадра.
Коррекция апертурных искажений отражается увеличением четкости ТВ-изображения за счёт возрастания относительной контрастности его мепких деталей и увеличения крутизны фронтов соответствущего ТВ-сигнала в пределах внутрикадрового пространства. Однако чрезмерное увеличение крутизны фронтов приводит к ухудшению отношения сигнал/шум ТВ-сигнапа и к нарушению естественности передаваемой сцены [8].
7ТЛ
7Тл
Причина данных искажений заключается в независимой обработке каждого блока в пределах их общей совокупности. В результате такой независимой обработки нарушается естественная общая корреляция внутрикадрово-го пространства и каждый блок, при квантовании содержащихся в нем коэффициентов ДКП, может приобретать свои собственные средние {колебательного типа) составляющие уровня сигнала. Степень заметности блокинг-эффекта увеличивается с увеличением значений для коэффициентов матрицы квантования, так как начинает происходить более резкое ограничение пространственного спектра, приводящее к потере низкоуровневых составляющих не только в ВЧ, но и в НЧ области из-за их стробиро-вания, ведущего к указанным выше нарушениям корреляционных связей в структуре изображений смежных блоков. Такие нарушения не согласованы с особенностями зрительной системы человека, что является причиной проявления в этом случае пространственно-дифференциальных свойства человеческого зрения, позволяющих обнаруживать указанные искажения декорреляции в пространственной структуре кадра. В частности, на резких границах из-за ступенчатого ограничения протяжённости пространственного спектра в области высоких частот при увеличении степени сжатия возникают выбросы в структуре изображения, ортогональные к её ориентации, заметность подобных искажений существенно возрастает при фиксированном положении границы в пределах смежных блоков [9].
Кроме этого, при кодировании видеоинформационного сигнала высокой и сверх высокой четкости используются матрицы квантования, параметры которых определены в [6], Однако в форматах высокой и сверхвысокой четкости локализация коррелированной психофизиологической избыточности определяется большими по размеру областями, чем в форматах стандартной четкости, поэтому использование матриц квантования из [6] приведет к увеличению количества блоков в кадрах первого формата.
Компенсация блокинг-эффекта осуществляется с применением адаптивных фильтров блочности. Стоит отметить, что эффективная работа таких фильтров требует дополнительных вычислительных и временных ресурсов. Поэтому в качестве альтернативы таким фильтрам, можно предложить адаптивное формирование к структуре кадра корректирующей информации для восстановления среднего уровня составляющих сигнала до порога, на котором преобладают интегрирующие свойства зрительной системы человека. Процесс формирования такой информации потребует меньшего количества вычислительных ресурсов, а обеспечение, в случае необходимости, независимой передачи ее от основной информации создаст возмож-
ность для масштабирования видеоинформационного потока в зависимости от загруженности канала связи.
Увеличение степени сжатия по межкадровому направлению сопряжено в новых вариантах стандарта MPEG со все возрастающей точностью вычисления сигналов вектора движения, с применением которых реализуется предсказание изменений структуры изображений в последовательности кадров. При этом существенно возрастает объём необходимых вычислений. К тому же следует учитывать и то, что, по отношению к структуре блоков, детали подвижного изображения меняют свою относительную позицию в последовательности кадров. Последнее, с учётом искажений внутрикадрового сжатия, безусловно, сказывается на точности определения сигнала вектора движения. Ограничивает последнюю в этом случае и неточности необходимой пространственной реставрации пикселей на позициях, некратных по отношению к исходному их положению.
Литература
1. Безрукое В, H Анализ характеристик формирования составляющих сигналов изображений цветного и en ект роз анального телевидения II T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. -2012. - №5. - С. 29-32.
2. Безруков В.Н. Дискретно-интегральный анализ характеристик светофильтров в системах цветного и спектрозонального телевидения II T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. - 2012. - №9. - С.33-36.
3. Катаева С.И. Справочник по телевизионной технике. Том I, Перевод с английского с дополнениями. - М.-Л.: Гос-энергоиздат. 1962.
4. Устинов В.А. Мощные автоматические системы для цифровой реставрации архивных киновидеодокументов // Техника кино и телевидения. - 2003. - №3. - С. 48-51.
5. Балобанов А, В., Иласюк И.В., Боеекеев А.А. Анализ пространствен но-частотных характеристик распределения светочувствительных элементов в пределах растра матрицы ПЗС II Метрология и измерительная техника s связи. - 2006. - №.
6. ITU-CCITT Recommendation Т.81 Information technology - Digital compression and coding of continuous-tone still images - Requirements and Guidelines. ISO/IEC 10918-1, 1992.
7. Безрукое B.H., Комаров П.Ю., Шушкевич Л,А. Адаптивная коррекция сигнала телевизионного изображения. Н Вестник связи.-2010.-№ 6.-С. 42-45.
8. Зубарев Ю.Б., Сагдуллаев Ю.С., Сагдуллаев Т.Ю. Видеоинформационные технологии систем связи: Монография. - М.: Издательство «Спутник+», 201 I. - 296 с.
9. Безрукое В.Н., Романов С.Г., Седов М.О. Адаптивность при сжатии спектра сигналовизображений в системах цифрового телевидения II Электросвязь. - 2013. - NBI. - С. 22-25.
DISTORTIONS OF THE IMAGE SIGNALS IN MODERN TELEVISION SYSTEMS
Vadim Bezrukov, Andrew Popov, Vladimir Aladin
Moscow Technical University of Communications and Informatics (MTUCI), Moscow, Russia,
Abstract
The aim of this paper is to assess the influence of amplitude, integral and non-linear distortions on the image signals in modern television systems with compression of the spectrum. Input video information influence in television (TV) system which undergoes numerous conversions is considered.
Because of action of operators on input video information influence in the optical system (OS) scale, amplitude-spatial and amplitude-frequency transforms in real and spectral domains take place. The more spatial and scale non-uniformity of transmission coefficient level of OS, the more intensity of the accompanying integral and non-linear distortions of a spatial spectrum of the initial video information signal. Influence of certain restriction operators on structure of optical influence is considered. It is shown, that especially significantly non-uniformity influence affects the form of such component images, as periodic influences of the fixed spatial frequency. Asymmetric distortions of the form and intensity of the appropriate images appear. Distortions can be eliminated by correction in an electrical path, but the deterioration of signal-to-noise ratio is saving, which occur ineffective using of the "light to signal" transformers on edges of intra-frame domain of the amplitude range. The received signal of the TV-image is exposed in the modern TV-systems to frequency compression. Specifics of distortions taking into account with characteristics and features of formation of a signal of the TV-images arising in case of implementation of frequency compression according to the JPEG and MPEG standards are considered. It is shown that changes effect in accuracy of quantization of spectrum components on a visibility and parameters of spatial distortions depends on characteristics of a fragment (its range) of a signal of TV-images within the local block and their (blocks) of sequences. The characteristics of distortions of spatial-temporal structure of TV-images according to the specified compression standards are discussed. The directions for distortions reducing of a spatial-temporal signal structure of TV-images accompanying frequency compression are defined.
Keywords: image distortions, video information signal distortions, distortions in image compression, spectrum distortions, additive distortions, multiplicative distortions, moire distortions, geometrical distortions, blocking effect, correction of distortions.
References
1. Bezrukov V.N. Analysis of formation characteristics of image signals components in color and multispectral television / T-Comm, No 5, 2012, Pp. 29-32. [in Russian]
2. Bezrukov V.N. The discrete and integral analysis of light filters characteristics in systems of color and multispectral television / T-Comm, No 9, 20I2, Pp. 33-36. [in Russian]
3. Kataev S.I. The reference manual on television technique. Volume I. The translation from English with additions. Moscow - Leningrad, I962. [in Russian]
4. Ustinov V.A. Powerful automatic systems for digital restoration of archive film video documents / Tehnika kino i televideniya, No 3, 2003, Pp. 48-5I. [in Russian]
5. Balobanov A.V., Vlasyuk I.V., Basekeev A.A. The analysis of spatial frequency responses distribution of light-sensitive elements within a CCD matrix raster / Metrologiya i izmeritel'nay tehnika v svyazi, No 3, 2003. [in Russian]
6. ITU-CCITT Recommendation T.8I Information technology - Digital compression and coding of continuous-tone still images -Requirements and Guidelines. ISO/IEC I09I8-I, I992.
7. Bezrukov V.N., Komarov P.Y., Shushkevich L.A. The adaptive correction of the television picture signal / Vestnik svyazi, No 6, 2010, Pp. 42-45. [in Russian]
8. Zubarev Y.B., Sagdullaev Y.S., Sagdullaev T.Y. Video information technologies of communication systems: Monograph. Moscow, 20II. 296 p. [in Russian]
9. Bezrukov V.N., Romanov S.G., Sedov M.O. Adaptivity in case of frequency compression of images signals in digital television systems / Elektrosvyaz', No 2, 20I4. Pp. 22-25. [in Russian]
