книги / Микропроцессоры в телевидении

литературе. Слово «изображение», отражающее понятие «изоб­ ражение», имеет несколько семантем (С). Для определенности после слова «изображения» будем указывать, какая семантема

имеется в виду.

Изобраоюение С1 — это ощущение, возникающее в мозгу чело­ века (или в нервной системе животных) при воздействии элек­ тромагнитного поля диапазона длин волн 0,38... 0,78 мкм («видимого» диапазона) на зрительный анализатор.

Изображение С2 — это закодированный отпечаток, след неко­ торого явления, процесса, события, предмета.

Изобраоюение СЗ — это зафиксированное на материальном но­ сителе двухили трехмерное распределение интенсивности (иног­ да и (или) фазы) электромагнитного поля.

Изобраоюение С4 — это зафиксированное на материальном но­ сителе распределение интенсивности электромагнитного поля лю­ бого диапазона, которое затем может быть восстановлено в виде электромагнитного поля видимого диапазона при его облучении (освещении) электромагнитным полем видимого или другого ди­ апазона или при его самосвечении.

Изобраоюение С5 — это зафиксированное на материальном но­ сителе двухмерное (трехмерное) распределение физических ве­ личин любого (только не электромагнитного) характера, которое может быть превращено (визуализировано) в двух-, трехмерное распределение интенсивности электромагнитного поля видимого диапазона.

В литературе встречаются также и другие определения изоб­ ражения. Так в [18] под изображением С6 понимают многомер­ ные сигналы, специфической особенностью которых является сложное статистическое поведение .(корреляция различных спе­ цифических случайных процессов и т. д.). Такое определение бы­ вает полезно и удобно при рассмотрении вопросов распознава­ ния образов и выделения информативных признаков '[19]. В [19] применен подход, основанный на общей теории сигналов, соглас­ но которому изображение С7 — произвольный сигнал, удовлетво­ ряющий специфическим ограничениям (например, неотрицатель­ ности и конечной протяженности). В [20] дано такое определение: изобраоюение С8 — это специфическая форма передачи и хране­ ния информации. При всей достаточной общности такого опреде­ ления, оно имеет тот недостаток, что одно, достаточно сложное понятие определяется через другое, -которое, в свою очередь, не имеет пока точного определения.

В книге будем использовать те семантемы понятия изображе­ ния, которые чаще других применяют при решениях задач повы­ шения качества ТВ аппаратуры: С2, СЗ и С4.

Изображение С2 создается либо человеком ^сознательно или бессознательно), либо датчиками (устройствами), чувствитель­ ными к физическим проявлениям процессов, предметов. Такое содержание (семантема) слова изображения отражает наиболее общий смысл этого понятия. Изображение СЗ относится, напри-

31

мер, к области .магнитной записи сигналов; изображение С4 — к художественным картинам, ТВ экранам, кино.

Человек воспринимает окружающий мир органами чувств. Каждое из них приносит сведения об определенных свойствах этого мира. Зрение — важнейшее из органов чувств — позволя­ ет получать информацию прежде всего о пространственных ха­ рактеристиках окружающего мира: размерах, форме и относи­ тельном расположении предметов. Эта информация извлекается из .воспринимаемого зрением двухмерного (пространственного) распределения интенсивности электромагнитного (светового) по­ ля в диапазоне длин волн 0,38... 0,78 мкм, т. е. в видимом диапа­ зоне длин волн. Кроме того, органы .зрения определяют соотно­ шение интенсивностей светового потока в поддиапазонах видимо­ го диапазона спектра, что приводит к ощущению, определяемо­ му как цвет.

В конечном итоге восприятие, осуществляемое зрительными отделами мозга, создает у человека субъективное ощущение, на­ зываемое изображением. Так как восприятие индивидуально, то можно сказать, что не существует двух одинаковых изображений. Не существует двух полностью .совпадающих оценок этого изоб­ ражения из-за субъективности как изображения, так и оценки. Изображения, ощущаемые разными людьми, сравниваются не непосредственно, а .через их .словесное описание, т. е. в значи­ тельной мере уже в обобщенном виде, закодированном через речь.

Всякое изображение есть один из элементов в общей системе самоуправления жизнедеятельностью человека. Оно воздейст­ вует ,(способствует) принятию решения по различным аспектам его деятельности. Поэтому столь важно формировать такое све­ товое поле на входе зрительной системы человека, которое удов­ летворяло бы его с точки зрения достижения определенной цели, решения им какой-либо задачи или удовлетворения потребности (например, эстетического .восприятия действительности, получе­ ния информации о каких-то событиях во .внешнем мире, поиска и обнаружения каких-либо предметов в окружающем простран­ стве и т. д.). В телевидении ,пр‘и передаче распределения интен­ сивности светового поля на расстояние его преобразуют сначала в электрические сигналы, а затем опять в световое поле, которое уже непосредственно воздействует на органы зрения и создает изображение. Преобразования приводят к неадекватности вход­ ного и выходного световых полей. Изменяя каким-либо образом параметры тракта передачи сигналов, мы меняем степень неадек­ ватности.

Таким образом, возникает возможность направленного изме­ нения преобразования входного поля и получения желаемого ре­ зультата при его восприятии как выходного поля, создаваемого системой передачи. Обычно операции направленного изменения соотношения между входным и выходным световыми полями на­ зывают попросту обработкой изображений, подразумевая под

32

изображением двухмерное распределение светового поля на вы­ ходе телевизионной системы, т. е. светового поля, создаваемого преобразователями сигнал — свет (кинескоп, жидкокристалличе­ ская панель и т. п.). При разработке принципов и устройств об­ работки изображения С4 возникают задачи сравнительной оцен­ ки способов обработки и оценки их эффективности с точки зре­ ния поставленной цели. Так как световое поле воспринимает че­ ловек, то эти задачи могут быть решены только при условии уче­ та законов психофизиологического восприятия световых полей.

Основные задачи обработки изображений можно подразде­ лить на следующие группы:

1) устранение изображений светового поля, порожденных по­ сторонними сигналами (адаптивными или мультипликативными), шумами в процессе преобразования свет — сигнал, передачи сиг­ нала и обратного преобразования сигнал — свет. Эту задачу обыч­ но называют устранением шумов на изображении;

2)повышение степени соответствия (адекватности) выходного

ивходного световых полей. Это — изменение яркости, контраста, функции распределения контраста по полю, цветности, геометри­ ческих параметров двухмерного выходного светового поля, его пространственного спектра;

3)выделение тех элементов выходного светового поля, кото­ рые в изображении С4 соответствуют элементам, в наибольшей степени интересующих зрителя (наблюдателя) (оконтуривание, подчеркивание мелких деталей, выделение малоконтрастных объ­ ектов и т. д.), и/или подавление элементов ненужных, мешающих эффективному решению какой-либо задачи. В-некотором смысле эта задача противоположна второй;

4)синтез нового изображения С4 путем комбинирования и трансформации элементов существующего изображения (СЗ, С4, С6), например для получения псевдостереоскопического (псевдо­ объемного) изображения CI.

Часто целью обработки является повышение качества изоб­ ражения С4. При этом важно четко определить, как само понятие качества, так и его критерии. Под качеством изображения целе­ сообразно понимать степень удовлетворения задаче, с его помо­ щью решаемой человеком. Например, это может быть степень удовлетворения эстетических потребностей телезрителя. Крите­ риями качества изображения в телевидении служат следующие

оценки:

балльные (экспертные), статистически выводимые из опроса группы экспертов (зрителей) после просмотра некоторого изоб­

ражения С4; в виде математических комбинаций значений технических па­

раметров устройств, создающих изображение С4; основанные на объективном количественном сравнении сход­

ства (похожести) изображений (С4, С6).

Изучением изображений (Cl—С4) и целесообразных методов их обработки занимается сравнительно недавно появившаяся на-

Иконические методы

ГТеория автоматического распознавания образов

Электронные (телевизионные, в частности, с поименением МП) методы преобразования сигналов

Теория переносасигналов в атмосфере

______ Теория искусственного зрения

34

Теория формирования изображений специального (особого) вида (с цветоискажением и т.п.)

__ Теорйя оптико-электронных приборов

|Теория оптических приборов |

Пентадная

группа

Рис. 2.1, Классификационные фрагменты для понятия «иконика»

35

«не — для вещательного телевидения. Таким же образом связаны

понятия триады 2.

Ч е т в е р т ы й к л а с с и ф и к а ц и о н н ы й ф р а г м е н т по­

казан на рис. 2.1,г.

Построенная классификация фрагментов помогает уяснить ме­ сто иконики в общей системе наук и ее связь с телевидением. Та­ кая классификация построена впервые и в дальнейшем, конечно, будет развиваться и совершенствоваться.

Для полного представления о возможностях применения МП в телевизионных системах ,проклассифицируем ТВ системы. Те­ левизионные системы — исторически первые оптико-электронные иконнческие системы, примененные для дистанционного наблюде­ ния и изучения (эстетического или научно-практического) мира в различных его проявлениях.

Их можно разделить по принципам построения, рабочим зо­ нам электромагнитного спектра, чувствительности, принципам об­ работки сигналов и способам представления изображения (рис. 2.2).

По принципам формирования изображения ТВС делят на кад­ ровые и однострочные. В кадровых ТВС изображение формиру­ ют только устройства (механические или электронные), входя­ щие в состав ТВС. В однострочных ТВС развертка по кадру осу­ ществляется перемещением (полетом) носителя ТВС (рис. 2.3). Кадровые ТВС подразделяют на строчно-кадровые, в которых одни кадр формируется последовательной разверткой по строкам (изображение состоит из ряда-элементарных строк, в частном случае строка может состоять из отдельных точек) и параллель­ ные, в которых изображение формируется рядом дискретных эле­ ментов (упорядоченных и неупорядоченных) одновременно. Кро­ ме того, по числу формируемых в единицу времени кадров кад­ ровые системы делят на малокадровые и многокадровые, причем граница такого деления весьма условна. Как правило, под малокадровыми ТВС понимают системы, формирующие один кадр за время примерно от половины |секунды и более. Устройства, фор­ мирующие развертку изображения СЗ по кадру, могут быть элек­ тронные, механические или смешанные. В малокадровых систе­ мах со строчной структурой изображение развертывается, как правило, оптико-механическими устройствами, в многокадровых — электронными. В параллельных ТВС кадр формируется парал­ лельным снятием сигнала с матричных датчиков изображения СЗ.

Подразделяются ТВС также по числу входных информацион­ ных каналов. Одноканальные ТВС обычно называют черно-белы­ ми, так как изображение С4 на выходе, как правило, черно-бе­ лое. Однако это не совсем точно, так как выходная видеоинфор­ мация в одноканальной системе может быть представлена и цвет­ ной, например путем присваивания разным диапазонам уровней видеосигнала определенного цвета. Применение МП для этого позволит задавать и цвет, и диапазоны уровней программным путем по выбранным и оперативно меняемым законам. Многока-

37

J//y

Рис. 2.3. Организация однострочной ТВС

нальные ТВС называют спектрозональными или многозональны­ ми. Имей несколько входов, эти системы могут иметь один или несколько выходов, т. е. информация, полученная от входных ка­ налов, может полностью или только от некоторых каналов объ­ единяться для представления на выходе в виде, позволяющем наиболее эффективно выделять наперед заданную информацию. Главное при создании спектрозональных систем — выбрать рабо­ чие зоны электромагнитного спектра,' способы объединения ин­ формации, полученной из этих зон, и вид представления инфор­ мации на выходе в виде черно-белого, цветного, знаково-сим­ вольного и других изображения. Частный случай спект,розональной — цветная ТВС. В ней рабочие зоны электромагнитного спек­ тра и способ представления информации выбраны такими, чтобы наиболее верно по цвету изобразить на выходе передаваемое изображение С1. Часть каналов многоканальных ТВС может быть отведена для приема и обработки сигналов, полученных в других (кроме видимого) диапазонах электромагнитного спектра.

При реализации различных алгоритмов совместной обработки видеосигналов этих систем эффективно применять МПУ.

Делят ТВС также на большие группы по основным парамет­ рам исходного оптического сигнала, которые они способны пере­ дать на расстояние и с некоторым подобием воспроизвести. Это стереоскопические ТВС, воспроизводящие распределение яркости по третьей пространственной координате (глубине пространства); поляризационные — передающие степень поляризации и двухмер­ ное распределение ее во входном оптическом поле. К одной из таких групп относятся тепловые системы ИК, передающие рас­ пределение температуры в пространстве, однако традиционно их выделяют в самостоятельные.

Стереоскопические ТВС могут быть одноканальными и много­ канальными в зависимости от способа получения стереоэффекта. Самые распространенные среди них — двухканальные стереоско­ пические ТВС. К числу многоканальных следует отнести гологра­ фические ТВС. Стереоскопические ТВС по виду представляемой

39

зрителю информации могут быть черно-белыми и цветными. При* менение МП и здесь открывает широкие возможности по формированию требуемого вида выходного изображения С4.

В качестве источников электромагнитного поля оптического диапазона, отраженную часть которого ТВС принимает и преоб­ разует в видеосигналы, используют природные, такие как Солн­ це, звезды, Луна, переотражающая свет Солнца, северные сияння, свечение атмосферы, вызванное рассеянием света, люминесценция природных образований и растительности, природные яв­ ления— молнии, извержения вулканов, а также искусственные источники — лампы, прожекторы, лазеры. Все источники имеют характерный спектр излучения, определенные значения мощности, угла излучения. Использующие в качестве источника лазерное излучение ТВС называют лазерными.

Лазерные ТВС подразделяют на несколько типов: формирую­ щие изображения по уровням отраженной энергии и синтезиру­ ющие его по измеренным расстояниям до различных точек про­

странства.

В последнее время появился еще один вид ТВС — флуорес- центные ТВС. В этих системах регистрируется и передается на расстояния картина интенсивности вызванной флуоресценции раз­ личных природных образований, растительности, водорослей и т. д.

Использование МП позволяет разнообразить методы форми­ рования выходного видеосигнала. В любой иконической ТВС способ (закономерность) формирования выходного видеосигна­ ла определяется на основе учета законов иконики — научного на­ правления, изучающего общие свойства изображений С1—С4, оп­ ределяющего цели и задачи их преобразований, обработки и вос­ произведения на основе всевозможных методов и средств [20]. В иконике создается общая теория визуализации. Ряд разделов иконшш посвящен проблемам, тесно связанным с обработкой ТВ сигналов с помощью ЭВМ и, в частности, миниЭВМ и МП. Ос­ новное преимущество обработки изображений С4 на цифровых ЭВМ в том, что к алгоритму обработки предъявляется лишь тре­ бование математической корректности [20]. Обработка изобра­ жения С4 на ЭВМ лишена недостатков, связанных с характером протекания физических процессов при других способах обработки.

В число основных тонических законов, позволяющих согла­ совать особенности стоящей перед зрителем задачи,' психологи­ ческие особенности зрительного восприятия и выходного изобра­ жения С4 входят следующие законы:

контрастного восприятия света; формирования уровня адаптации; константности зрительного восприятия;

зрительного восприятия структурного изображения С4; экстремальности зрительного восприятия света; последовательного цветового контраста; константности цветовосприятия;

40