CC BY
23
СМЕЛКОВ Вячеслав Михайлович, доктор технических наук
К ВОПРОСУ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО ОБОСНОВАНИЯ РЕАЛИЗАЦИИ ОБМЕНА ПАРАМЕТРОВ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ТЕЛЕКАМЕР ПРИКЛАДНОГО НАЗНАЧЕНИЯ
В статье сделана попытка приложения информационной теории связи к разработке твердотельных телекамер с переменными параметрами.
This article is an attempt to apply the informational theory of communication for the elaboration of hardbody TV-cameras with variable parameters.
Зачем инженеру — разработчику камер прикладного телевидения нужно обращение к теории информации? Ведь даже в изобретательском решении задачи автором постигается лишь причинная связь между предложенным (придуманным) средством и вызываемым им эффектом, но теоретическая сторона этого процесса очень часто остается изобретателю неизвестной. И это подтверждает лозунг патентного законодательства: «Нельзя требовать, чтобы техническое решение задачи сопровождалось теоретическим обоснованием!».
Ответ теоретика на поставленный вопрос прост и убедителен: для точ-
ки опоры в виде предельно возможных параметров, которые могут быть достигнуты в телекамерах при просто формализуемых моделях входного воздействия.
Многообразие кодирования сигналов в телекамере и после нее в цифровом (компьютерном) устройстве в основном связано с большой априорной неопределенностью в статистических свойствах наблюдаемых изображений. Поэтому, с одной стороны, подавляющее большинство всех изобретательских решений в прикладном телевидении, включая и скромные предложения автора на этом поприще, имеют практическую цель расшире-
ния диапазонов незнания наблюдателя об изображении. С другой стороны, качество телевизионной системы оценивается теоретиком по мере приближения к идеальному кодированию в предположении, что статистика сигнала известна абсолютно точно.
История науки и техники свидетельствует о том, что на пороге XX века наряду с энергетическими стали возникать машины совершенно нового типа — информационные, в которых основным был процесс передачи сигналов. Понятие сигнала сводили к форме физического процесса, в частности слабого электрического тока. Термин «связь», пришедший в наш
обиход из Германии, означает всего лишь технику слабых токов. Поэтому немудрено, что среди связистов до сих пор не утихают споры о том, является ли связь наукой, или это только техника, то есть приложение других наук, в первую очередь, — физики.
Но сейчас большинство из них согласны и с тем, что наш соотечественник А.С. Попов с помощью изобретенного им радиоприемника, который выполнял устойчивый прием волн Герца, реализовав в 1895 г. два типа радиосвязи: человека с человеком и человека с объектом природы (грозой), сделал научное открытие.
Почти весь XX век в технике связи господствовало представление, что цель связи состоит в неискаженной передаче сигнала от отправителя к адресату подобно передаче письма по почте. Неискаженная передача сигнала, а точнее его формы, через канал связи считалась идеалом, тем более что теория связи, разработанная в 1948 г. американским математиком К. Шенноном, доказывала возможность достижения этого чуда.
В теории Шеннона информация использовалась как скалярная величина. Его постановка задачи по неискаженной передаче формы сигнала позволила ему обойтись учетом только количества информации без учета качества информации. Однако идеальная система связи для неискаженной передачи бесконечного количества информации по каналу связи с конечной пропускной способностью требовала бесконечного времени.
Именно эти два допущения - о безвредности возникающего во времени запаздывания и о стирании качественных особенностей информации -стали для телевидения как вида связи очевидным препятствием стыковки теории и практики.
Поэтому неудивительно, что проблемой единства теории связи и практики стал заниматься проф. Л.И. Хромов, работавший во Всесоюзном НИИ телевидения (ныне «НИИТ») с 1957 г. по космическому телевидению. После ознакомления в конце девяностых годов с его изложением новой теории связи [1, 2] автора настоящей статьи поразила мысль теоретика об отсутствовавшем прежде учете работы самой телекамеры в телевизионной системе.
Л.И. Хромов рассуждает так: «У Шеннона есть понятие об источнике сообщения или информации для канала, но оно говорит не об учете влияния объекта на датчик, а о том, что задан, то есть априори известен, ансамбль сообщений (случайная функция). Из этого ансамбля на передающем конце выбирается форма, подлежащая передаче». Все правильно, так как источником информации согласно теории Шеннона является сам человек, например оператор-телеграфист.
Л.И. Хромов продолжает: «Однако на практике проектировщик сам должен строить датчик таким образом, чтобы из воздействия внешнего объекта получить случайный сигнал, то есть ансамбль функций, который отвечает поставленной цели. Именно так поступают в телевидении, разрабатывая телекамеры. Но и после того, как телекамера разработана, это вовсе не значит, что ее разработчик знает статистическое описание сигнала на выходе телекамеры. Оно зависит не только от структуры телекамеры, но и от содержания передаваемого сюжета». Поэтому новая теория связи, делает вывод Л.И. Хромов, должна рассматривать проблему передачи и приема скалярной информации «по часам объекта» и не только ее, но и «проблему создания необходимого сигнала из воздействия объекта на датчик, основываясь на уравнениях, как это принято в физике».
Информационное уравнение выражает принцип равновесия в информационном треугольнике « объект — сигнал — человек» [1], [2]:
тах 1(д, р ) = тш 7(д' , р) = , р*) , (1)
д = уат р = уат
условие 1 условие 2
где р — распределение вероятностей случайного сигнала датчика;
д — переходное условное распределение вероятностей канала связи;
тах 1(д,р‘) — максимум количества информации при вариации датчика (д = уат) в допущении, что канал связи р‘ выбран оптимально;
тш 1(д‘,р) — минимум количества информации при вариации канала связи (р = уат) в допущении, что датчик д‘ выбран оптимально.
Оптимальная информация 1(д‘, р‘) в уравнении (1) учитывает уже не толь-
ко полезную информацию, но и шумовую информацию, возникающую в видеосигнале сразу, в момент его рождения. Поэтому величина 1(д‘, р‘) должна при измерении оцениваться не одним числом, а двумя, то есть результат вычисления больше, чем скаляр. Концептуальный стержень уравнения связи (1) — принцип минимума количества информации при заданном уровне качества информации.
Немаловажно также отметить, что уравнение (1) имеет ряд решений, соответствующих оптимальным системам, но не указывает оптимального пути для их достижения. Поэтому остается полная свобода для изобретательства при разработке телевизионной системы и ее первого звена — телекамеры. Телекамеру же следует рассматривать как кодер, преобразующий в реальном времени не только полезную, но и шумовую информацию, порождаемую входным фотонным шумом.
Понятие шумовой информации, введенное школой проф. Л.И. Хромова, позднеебылообобщеноегоучеником — проф. А.К. Цыцулиным — на случай смеси сигналов, выступающих в роли помех приему доминантного сигнала — доминантной компоненты входного воздействия [3, с. 82; 4, с. 12]. Сформулированный им критерий минимума информационного риска [3, с. 83], который в последующей работе [5] назван критерием, избирательности, записывается в виде:
К1С=Сй^1й +Сф! | г^Х, |> (2)
где Л1л — информация о доминантной компоненте;
сл — весовой коэффициент важности потери информации о доминантной компоненте;
Сф — весовой коэффициент важности «просачивания» в выходной код системы Z фоновых компонент;
I т %> — информация о со-
I 3=1
вокупности фоновых компонент входного воздействия, оцененная в отсутствии доминантной компоненты.
Критерий (2) предписывает конкретное, а не произвольное назначение количественных параметров ограни-
чений в уравнении связи (1), исходя из статистических характеристик передаваемых зашумленных сигналов. С учетом этого критерия можно утверждать, что цель работы телекамеры — дать минимум количества информации при заданных ошибках принятия решений.
Для раскрытия закономерности между информационной реакцией телекамеры и физическим воздействием на нее объектов наблюдения Л.И. Хромов предлагает в своей теории формулу по вычислению пропускной способности телекамеры С‘ (скорости передачи информации):
С* =
1(д\ р") г
= ^- [\о%(к2п2 + п) - 1о§ Щ-
- 2Тк а
(3)
где п — число фотонов, зарегистрированных ПЗС-матрицей, а п > 10, когда распределение Пуассона для фотонов приближается к гауссовскому распределению;
к — контраст объекта относительно фона;
Z2 — число элементов матрицы по площади для квадратного растра;
Тк — время телевизионного кадра; а — коэффициент усиления видеоусилителя телекамеры;
а^ — дисперсия шума выходного устройства ПЗС-матрицы.
Размерность пропускной способности — бит в секунду. В числителе этой формулы под первым логарифмом записано произведение к2п2, где к — контраст объекта, а п — число зарегистрированных фотонов, которое определяет энергию создаваемого сигнала изображения. Эта энергия оценивает полезную информацию, так как она участвует в создании полезных для наблюдателя образов. Выражение а£/ а2 под вторым логарифмом, где а ^ — дисперсия шума выходного устройства ПЗС-матрицы, а а — коэффициент усиления видеотракта, является энергетическим шумовым порогом датчика, который осуществляет пороговое квантование спектра сигнала изображения. Шумовой сигнал определяет ложную информацию, ибо она формирует ложные образы для наблюдателя. На выход телекамеры может быть передан только тот отсчет, энергия которого превысит значение этого порога. Очевидно, для того, чтобы превзойти
порог, необходимо накопить достаточную энергию отсчета за время кадра Тк на каждом элементе матрицы ПЗС.
Среднее положение между полезной и шумовой информацией занимает малополезная фоновая информация. В рассматриваемой формуле фоновую информацию отражает дисперсия фотонного шума фона а ^ = п.
Сомножитель Z2/2Тk в формуле (3) есть не что иное, как полоса пропускаемых частот Р, а выражение в квадратных скобках — энергет""эское отношение сигнал/шум (Ч/2). Поэтому С‘ = Р W2, то есть пропускная способность телекамеры равна произведению полосы частот в герцах на энергетическое отношение сигнал/шум в децибелах, зависящее от шумового порога. По этому поводу Л.И. Хромов в [1, с. 74] отмечает, что «проблема сжатия полосы частот или сокращения пропускной способности всегда была центральной в телевидении». Историческое же значение иконоскопа — электронно-лучевой трубки, — созданного русским изобретателем В.К. Зворыкиным в 1933 г., «определяется удачным способом обработки фотонов, который дал сокращение пропускной способности до реализуемого значения в сочетании с приемлемой светочувствительностью».
Полезная информация, определяемая в формуле (3) произведением к2п2, создается путем группового счета фотонов на фотомишени датчика в зарядовой форме, она отражает накопление энергии светового сигнала до воздействия шума и может быть определена по формуле А. Роуза [6]:
пБ2
к2п=к2 (в Е )
(4)
где в — коэффициент пересчета энергии света в число фотонов;
О — диаметр входного зрачка объектива;
f — фокусное расстояние объектива;
^ — время экспозиции (накопления) фотоприемника;
S — площадь элемента;
Е — освещенность сцены.
Формула (3), учитывающая (4), иллюстрирует возможность реализации в ПЗС-матрице принципа накопления до воздействия шума выходного устройства ПЗС, когда надпороговая
часть спектра усиливается, а подпо-роговая тормозится. Суть эффекта торможения заключается в том, что накопление сигнала по времени или по площади, или по обоим параметрам одновременно может производиться в самой матрице ПЗС до того, как сигнал попал в выходное устройство и к нему присоединился шум с дисперсией а 2.
В результате происходит сложение сигнала без сложения шума, а шум добавляется в выходном устройстве ПЗС один раз на каждую сумму сигналов. В итоге четырехкратное сложение приводит к четырехкратному возрастанию чувствительности, а не двукратному, как в стандартном режиме работы телекамеры с внешним накопителем видеосигнала. Этот режим эффективен благодаря тому, что при малых сигналах шум считывания с дисперсией а 2 значительно превосходит фотонный шум с дисперсией
а 2 = п, то есть а 2 >> а 2.
1 2 1
Очевидно, что при этом рост энергетической чувствительности (светочувствительности) телекамеры сопровождается обменом на другой телевизионный параметр. Увеличение времени накопления (1Е) в пределах времени кадра (Тк) приведет к уменьшению отсчета динамической контрастно-частотной характеристики (ЧКХД) фотоприемника при заданной скорости движения наблюдаемого объекта, а увеличение площади элемента фотоприемника ^) путем электронного укрупнения его апертуры вызовет уменьшение разрешающей способности изображения.
Но если данный обмен параметров был реализован на практике и до появления информационной теории связи [7], то предложение по методу расширения динамического диапазона телекамеры при условии компромиссного ограничения скорости движения наблюдаемых объектов [8] было подсказано этой теорией.
Напомним, что согласно методу [8] на выходе фотоприемника вырабатывается мультиплексный видеосигнал, смежные кадры в котором сформированы при двух различных длительностях накопления матрицы ПЗС, оптимальных соответственно для светлых и темных фрагментов сцены, то есть: Е < Е < Тк. Из этих составляющих сигнала изображения в телекамере
методы
путем организации задержки видеосигнала на длительность одного кадра выполняется синтез комбинированного видеосигнала. По сравнению с типовым режимом величина длительности кадрового накопления в телекамере будет увеличена, что означает обмен показателя динамического диапазона на параметр временной разрешающей способности.
Две формулы (1) и (3) отражают решение проблемы, которое сделал Л.И. Хромов. Подтвердился один из законов жизни, выраженный в афоризме Нильса Бора, одного из создателей современной физики и лауреата Нобелевской премии 1922 г.: «Если человек не понимает проблемы, он пишет много формул, а когда поймет, в чем дело, их останется в лучшем случае две».
Следует признать, что принципиальной особенностью современного прикладного телевидения в отличие от многих других систем связи остается разделение кодирования источника на два этапа: первый этап — кодирование в телекамере, второй — в цифровом кодере источника. При этом роль дискретно-аналогового кодирования входного потока фотонов в телекамере значительно выше, чем роль последующего цифрового кодирования. Это видно хотя бы из сравнения коэффициентов сжатия видеоинформации: типичная телекамера из входного потока фотонов, оцениваемого терабайтами, вырабатывает информационный поток, измеряемый мегабайтами, то есть осуществляет сжатие в миллион раз. А типичный цифровой кодер сжи-
мает видеоинформацию на один — два порядка. Значит, только по этой причине дискретно-аналоговое кодирование видеоинформации в твердотельных телекамерах — крупная актуальная проблема, которая корректно может быть решена с позиций новой статистической теории связи, учитывающей и количество, и качество информации.
В качестве заключения
Информационная теория связи была создана в России в трудные девяностые годы, когда наблюдался упадок интереса к науке и технике вообще. Не случайно, что в предисловии книги [1] ее редактор, д.т.н., проф. М.А. Грудзинский, дав высокую оценку новой теории связи — мировой приоритет нашей страны в этой области, признал работу пока невостребованной и посетовал на возможную неоднозначность читательской реакции.
Для. автора же данной статьи все сложилось в лучшую сторону. Работая, длительное время в области проектирования телекамер на матрицах ПЗС, доверяя в собственных изобретательских решениях опыту и интуиции, автор теперь получил концептуальное представление в части создания оптимального источника видеоинформации.
По этой причине автору стало ближе и мнение нашего нобелевского лауреата, академика ПЛ. Капицы [9], который считал, что «гармоническое развитие теории и практики является абсолютно необходимым во всех областях естествознания». Здесь хочется считать, что его тезис распространяется и на область связи!
Выступая на Общем собрании Академии наук СССР в 1962 г., П.Л. Капица сказал по этому поводу следующее [9, с. 182]: «О самом механизме связи теории и практики мне хотелось бы напомнить красивым сравнением, употребленным еще лордом Кельвином. Он сравнивал теорию с жерновами, а опытные данные — с зерном, которое засыпается в эти жернова. Совершенно ясно, что одни жернова, сколько бы ни крутились, ничего полезного дать не смогут (теория работает сама на себя). Но качество муки определяется качеством зерна, и гнилое зерно не может дать питательной муки. Поэтому доброкачественность эксперимента является необходимым условием как для построения передовой теории, так и для получения практических результатов».
Литература
1. Хромов Л.И. Информационная теория связи на пороге XXIвека. С.-Пб.: «П и К», 1996.
2. Хромов Л.И. Информационная революция и виртуальное познание. С.-Пб.: ЗАО «ЭВС», 2000.
3. Цыцулин А.К. Телевидение и космос.- С.-Пб.: СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2003.
4. Цыцулин А.К. Причастность. С.-Пб.: «Русское философское общество», 2007.
5. Цыцулин А.К. Избирательность и теория информация/ Вопросы, радиоэлектроники, серия «Техника телевидения», 2007, вып. 1, с. 3 — 9.
6. Роуз А. Зрение человека и электронное зрение. — М.: «Мир», 1977.
7. Хромов Л.И., Лебедев Н.В., Цыцулин А.К., Куликов А.Н. Твердотельное телевидение. М.: «Радио и связь», 1986.
8. Смелков В.М. Метод двухканального преобразования «свет-сигнал» в телевизионной каме-ре, выполненной на базе единственной ПЗС-матрицы с типовой организацией / Специальная техника, 2008, № 1, с. 8 — 13.
9. Капица П.Л. Эксперимент.. Теория. Практика: Статьи и выступления. — М.: «Наука», 1987.
