Введение к работе
Актуальность темы. В процессе регистрации и передачи по каналам связи изображения обычно подвергаются различного рода искажениям. Это приводит к значительному снижению контрастности и резкости изображений, ухудшая тем самым их восприятие. Поэтому повышение качества изображений является одной из важнейших задач в обработке визуальной информации, а развитие микропроцессорной техники, создание быстродействующих больших и сверхбольших интегральных схем (БИС и СБИС соответственно) и микроЭВМ только способствуют разработке и внедрению современных цифровых систем обработки изображений даже в областях, где необходимо строгое соблюдение режима реального времени. Одной из таких областей является телевидение. Обзор литературы показывает, что, несмотря на огромное количество публикаций зарубежных и отечественных авторов по цифровой обработке изображений, вопросы, связанные с её применением в телевизионных системах, отражены недостаточно или вообще не рассматриваются, то есть большинство работ носит теоретический характер.
В то же время достижение высокого технического качества изображений является одной из главных проблем в телевизионном вещании. Цветные изображения по своей природе более подвержены воздействию искажений, чем чёрно-белые, а существующие аналоговые системы цветного телевидения по принципу действия вносят определенные ограничения качества. Кроме того, реальные условия приема телевизионного сигнала, когда эфир насыщен помехами, и удалённость телевизионного центра также способствуют снижению качества изображения в телевизионных приёмниках. Внедрение цифрового вещания позволяет устранить недостатки существующих аналоговых телевизионных систем. В первую очередь это связано с тем, что в цифровых телевизионных системах отсутствует необходимость в аналоговых системах кодирования цветовой информации, приводящих к снижению качества изображения. С другой стороны, цифровая техника порождает и проблемы. Для передачи телевизионного видеосигнала в цифровой форме требуются каналы связи с пропускной способностью до сотен мегабит в секунду (177 Мбит/с - 4fsc, PAL; 270 Мбит/с - 4:2:2; 540 Мбит/с - 4:4:4:4). Использование каналов, не вносящих ошибки в цифровой поток и обладающих столь большой пропускной способностью, экономически невыгодно. Решение этой проблемы даёт применение технологий сжатия информации. Однако преобразования, связанные с процедурой сжатия, приводят к появлению на изображениях артефактов (искажений) - различного рода посторонних узоров и муа-ров, сильно коррелированных с изображением. Они наиболее заметны, если
і PUC- национальная]
1... *&1ХЙ0\
изображение содержит мелкие детали, фрагменты с быстрым или сложным движением. Проявлением необратимых искажений при компрессии является неустойчивость и нестабильность контурного рисунка, окантовки и шумы в области резких яркостных и цветовых переходов.
Таким образом, в настоящее время актуальна разработка современных эффективных методов повышения качества изображений для использования их как в аналоговых, так и в цифровых системах цветного телевидения.
Большой вклад в развитие систем цветного телевидения внесли М. И. Кривошеее, Б. М. Певзнер, Р. Е. Быков, С. В. Новаковский и многие другие авторы. Однако практически во всех работах слабо освещены вопросы, связанные с методами повышения качества изображений в цифровых системах цветного телевидения.
Актуальность диссертационной работы также подтверждается тем, что критерием для пользователя при стандартизированных условиях наблюдения служит, по крайней мере, 50%-ный порог заметности искажений. В случаях, когда выходной сигнал приходится подвергать дальнейшей обработке, необходим более строгий критерий качества сигнала.
Кроме того, наряду с телевизионным вещанием цветное телевидение находит широкое применение при исследовании космоса, в промышленности, транспорте, киностудиях, системе обучения, научных исследованиях, медицине, что также подтверждает актуальность работы.
Целью работы и задачи исследования. Целью работы является исследование и разработка алгоритмов векторной фильтрации и основанных на них специализированных устройств, предназначенных для устранения искажений на цветных телевизионных изображениях, проявление которых связано с особенностями построения аналоговых и цифровых систем цветного телевидения, находящихся в эксплуатации в настоящее время.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
разработать методику исследования алгоритмов векторной фильтрации и выбрать количественные характеристики для оценки их работы;
-
провести исследования и сравнительный анализ существующих алгоритмов векторной фильтрации цветных изображений;
-
разработать новые алгоритмы векторной фильтрации цветных телевизионных изображений;
-
разработать специализированные устройства векторной фильтрации цветных телевизионных изображений;
5) получить модель быстродействующего устройства векторной фильтрации цветных телевизионных изображений, работающего в реальном масштабе времени.
Методы исследования. Для решения перечисленных выше задач были использованы методы обработки изображений, математической статистики, теории нечётких множеств, теории матриц, теории вероятности, математического моделирования.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
разработана методика исследования алгоритмов векторной фильтрации цветных телевизионных изображений;
-
предложено использовать энтропию изображения для оценки степени сглаживания контурного рисунка и мелких деталей при обработке алгоритмами векторной фильтрации;
-
разработан алгоритм нечёткой вероятностной фильтрации, позволяющий эффективно устранять искажения на цветных телевизионных изображениях, проявление которых связано с особенностями построения аналоговых и цифровых систем цветного телевидения;
-
предложена модель быстродействующей вычислительной системы для алгоритма нечёткой вероятностной фильтрации цветных телевизионных изображений.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
1) разработанный алгоритм применялся для устранения артефактов и
шумов на цветных телевизионных изображениях, поступающих от источника
телевизионного сигнала;
-
применение разработанного алгоритма дало возможность повысить отношение сигнал/шум не менее чем на 2 дБ, снизить размыв контурного рисунка на 2 — 5% и уменьшить искажение цветового баланса обрабатываемого изображения на 3 - 5% в зависимости от характеристик изображения по сравнению с известными алгоритмами векторной фильтрации;
-
разработанный алгоритм является основой для создания устройства, позволяющего обрабатывать цветные телевизионные изображения в реальном масштабе времени;
-
разработанные алгоритм, устройство и программы используются в тренажёрах специального назначения.
На защиту выносятся следующие основные результаты и научные положения:
1) результаты сравнительного анализа и экспериментальных исследований существующих алгоритмов векторной фильтрации цветных изображений;
-
алгоритм нечёткой вероятностной фильтрации цветных телевизионных изображений и результаты его исследований;
-
результаты применения энтропии изображения для оценки степени сглаживания контурного рисунка и мелких деталей при обработке алгоритмами векторной фильтрации;
-
устройство нечёткой вероятностной фильтрации цветных телевизионных изображений.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на 7-ом Международном научно-техническом семинаре «Проблемы передачи и обработки информации в информационно-вычислительных сетях» (Москва, 1997); на Всероссийской научно-технической конференции студентов, молодых ученых и специалистов «Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы» (Рязань, 1998); на III Международной конференции и выставке «Цифровая обработка сигналов и ее применение» (Москва, 1999); на 4-ой Международной конференции «Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработке изображений и символьной информации» (Курск, 1999); на Международной молодежной научной конференции «XXVII Гага-ринские чтения» (Москва, 2001); на конференциях Муромского института (филиала) Владимирского государственного университета и научных семинарах кафедры электроники и вычислительной техники МИ ВлГУ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 печатных работ, в том числе патент на изобретение и свидетельство на полезную модель.
Результаты исследования. Результаты диссертации успешно внедрены на ОАО «Муромское специальное конструкторское бюро» и используются в тренажёрах специального назначения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 160 наименований, включая 18 работ автора, в том числе патент на изобретение и свидетельство на полезную модель, и приложений. Объём диссертации составляет 155 страниц машинописного текста, включая 35 рисунков и 6 таблиц.
