книги / Микропроцессоры в телевидении
..pdfлитературе. 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-
2 -6 4 |
зз |
— | Мышление человека |
|
| |
Искусственное мышление |
*| |
||
|
Мышление (как способность |
Искусственный интеллект |
||||
|
принимать решения в системе |
|||||
|
|
|
||||
|
управления) |
|
Искусственное зрение |
• |
||
Триада 1 |
Восприятие (органов чувств) |
|||||
(зрение роботов) |
|
|||||
|
|
|
|
|
||
|
Зрение как мышление |
| |
| Распознавание образов |
j |
||
|
Альтернативно-тождественное понятие |
|
||||
|
I Мыслительные способности I |
|
||||
|
| Физиология |
Н |
|
|||
|
1 |
Психология |
П ента/ж ак груп па • |
|
||
|
h |
|
||||
|
j |
Иконика |
|
|||
|
н |
|
||||
|
| |
Логика |
ь |
|
||
|
|
|
|
|
||
|
| |
|
Истина |
Н |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
Иконика |
I |
|
|
|
а 1---------------- .. ■ |
—1 |
|
|||
|
Теория восприятия |
|
Теория преобразования |
|
||
|
изображения С4 |
|
|
сигналов |
|
|
ID |
Психология зрительного |
Теория возникновения |
|
|||
восприятия |
|
|
сигналов (восприятий) |
|
||
Физиология зрительного |
| Теория передачи сигналов |
J- Триада 2 |
||||
восприятия |
|
|
||||
|
Офтальмология | |
|
|
Теория визуализации |
|
|
|
|
|
сигналов |
|
Иконические методы
ГТеория автоматического распознавания образов
~-| |
Оптические методы преобразования сигналов |
Электронные (телевизионные, в частности, с поименением МП) методы преобразования сигналов
Теория переносасигналов в атмосфере
______ Теория искусственного зрения
34
|
Бытовал иконика |
| |
| |
Прикладная иконика'= 1 ~1 |
|
|
Изобразительное искусство |
Биомедицинская иконика |
|||
|
Кинематография и фотография^/ |
Космическая иконика |
|||
|
Вещательное телевидение |
I |
Военная иконика |
||
|
|
Иконические методы |
|||
|
|
|
Рисунок |
|
|
|
Пентадная |
Родобие (сходство) |
|||
|
группа |
||||
|
|
Выделение |
|
||
|
|
|
|
||
|
|
|
Иконика |
|
|
— |
Теория обнаружения |
|
Теория формирования |
||
|
Теория зрительного |
|
изображений как ощущений |
||
|
|
|
|||
|
восприятия в реальных |
|
Теория формирования |
||
|
условиях внешней среды |
|
|||
|
|
изображений, соответствующих |
|||
Триада 1. - |
Теория поиска |
|
|
видимому миру |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
Теория формирования изображений, |
|
|
Теория распознавания |
|
соответствующих невидимому миру |
||
|
|
|
|
|
(в ИК-, УФ-областях |
|
|
|
|
|
электромагнитного спектра) |
Теория формирования изображений специального (особого) вида (с цветоискажением и т.п.)
__ Теорйя оптико-электронных приборов
|Теория оптических приборов |
Пентадная
группа
Лазерная локация |
г) |
|
Рис. 2.1, Классификационные фрагменты для понятия «иконика»
35
ука иконика [20, 21]. В иконике изображению (С4, С8) придается не только пассивная, но и активная роль — роль оператора, совершающего преобразования над другими изображениями (С4, С8) [20]; оно рассматривается как звено в системе управления различными аспектами жизнедеятельности человека, как оператор, задающий определенные действия. Для полного понимания
.места иконики в общей структуре наук и связи ее с телевидени ем построим классификационные фрагменты для понятия «ико ника», пользуясь периодическим фрагментньш законом класси фикации .наук [22]. В качестве универсального классификацион ного периода применим типовой классификационный фрагмент, состоящий из двух основных частей: диадно-трпадной и пептид ной. Исходным для построения диадно-триадной части фрагмен та является опорное понятие. В нашем случае им служит поня тие «иконика». Опорному понятию ставится в соответствие трой ная группа понятий.
Обобщающим понятиехМ пентадной группы называют альтер нативно-тождественное понятие. Оно отличается ог опорного смы словым нюансом. Пары, тройки и пятерки понятий, входящие в
фрагмент — классификационные группы, |
обладают смысловым |
единством и упорядочены по критерию |
первичности — вторнчно- |
сти. Понятие, входящее в фрагмент данного порядка, может вы ступать в качестве опорного понятия фрагмента более высокого порядка!
П е р в 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 |
(рис. |
2.1,а) — фрагмент первого яруса, в который входит наука |
ггконн- |
ка,—связан с фундаментальными понятиями теории высокоор ганизованной материи.
Понятие интеллект дихотомически разделимо на два противо положных по принадлежности к живой и неживой природе поня тия: мышление человека, искусственное мышление. Эти понятия, упорядочены по критерию порядка следования: мышление чело века отражает предшествующий этап в развитии, искусственное
мышление — последующий этап развития материи. |
|
|
|||
В т о р о 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 |
для |
по |
||
нятия «иконика» дан на (рис. |
2.1,6). Понятия |
триады 1 |
связаны |
||
по критериям |
определяющего |
влияния (когда |
одно понятие |
яв |
ляется определяющим по отношению к другому) и мощности объ ема понятия (когда одно больше по. объему, чем другие). Так, законы психологии зрительного восприятия более общие, чем фи зиологии, а физиологии — чем офтальмологии.
Понятия триады 2 связаны по критерию этапности (порядка следования) их развития, т. е. развития сигнала во времени и пространстве.
Т р е т и 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 понятия «чконика» дан на рис. 2.1,в. В нем наглядно видна связь икони ки и телевидения. Понятия триады 1 связаны по критериям пер вичности — вторичности, так как законы изобразительного искусства обязательны для фотографии и кинематографии, .послед-
«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
Рис. 2.2. Классификация телевизиотмм. систем
J//y
/ / Г / |
Направление развертки |
* ' |
по строке |
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