книги / Микропроцессоры в телевидении

ти равных значений функции f(a).=const в точке а1' и показывает направление наибыстрейшего роста функции /(а) [98].

При поиске экстремума функции f(a) рационально использо­ вать прямой метод покоординатного спуска. Интервал, внутри которого имеется глобальный экстремум минимума, находится пе­ ребором значений целевой функции в девяти точках через 32 дис­ крета. Затем регулировочная кривая полиномиально аппроксими­ руется по трем точкам — точке, где отсчет целевой функции ми­ нимален, и двум ее окружающим [98].

В состав МПС автоматической настройки, реализующей рас­ смотренный выше метод (рис. 5.15), входят ТВ камера 7, камер­ ный канал 2, создающие на выходах видеосигналы Ew, ER, Ев (на рис. 5.15 даны обозначения (Jw, (J/c, Uв и т. д.).

Оптический тест 3 обеспечивает все виды регулировок в ка­ мере и камерном канале. Для выполнения балансов черного, бе­ лого и серого с одинаковой точностью необходимо выделить по трети площади теста для черных, белых и серых деталей. Среди них должны быть относительно крупные детали для снижения влияния апертурных и геометрических искажений на этот вид ре­ гулировок. Для выявления геометрических искажений в канале W, совмещения растров цветоделенных каналов, наилучшей фо­ кусировки по полю изображения С4 необходим тест с равномерно распределенными по полю кадра резкими яркостными перехода­ ми (мелкие детали). В связи с тем, что в системе применен по сути дела корреляционный метод, необходимо, чтобы основной

Рис. 5.15. С труктурная схема микропроцессорной системы автоматической н а стройки кам ер и камерны х каналов цветного ТВ:

ген ер атора базисн ы х ф ун кц ий ;

141

пик взаимно-корреляционной функции совмещаемых изображений был существенно больше остальных. Этим всем требованиям удовлетворяет оптическое изображение С1, соответствующее ви­ деосигналу, имеющему вид псевдослучайной последовательности

с тремя или более уровнями.

Такой видеосигнал создает генератор эталонного сигнала 4. Программно управляемый коммутатор 5 формирует из четырех поступающих на его входы сигналов Еэ, Ew, ER и Ев следующие совокупности сигналов: {Еа, Ew}, {Ew, ER}, {Ew , Ев}- В анали­ заторе 6 сравниваемые сигналы вычитаются, разностный сигнал подвергается нелинейному преобразованию, затем определяется модуль этого сигнала, полученный сигнал перемножается с ве­ совой функцией №(*) и интегрируется в пределах длительности ТВ кадра. Анализатор аппаратно реализует целевой функционал К. Значения целевой функции АЦП преобразует в 8-разрядный код, поступающий на шину данных в моменты, определяемые по­ ступающими по шине управления сигналами. Значение целевой функции читается микроЭВМ 7 с помощью интерфейса 8 и ис­ пользуется в ходе итеративного процесса поиска оптимума наст­ ройки. Генератор базисных функций 9 — это ПЗУ, в котором прошиты коды, соответствующие отсчетам полиномов Лежандра. На выходной 20-проводной шине ГБФ образуются синхронные со

лов. Устройства 10 выполняют операции перемножения сигналов Qfc(x), Qi{y) и полученных в процессе поиска экстремума мини­ мума функционала К коэффициентов ам, а также суммирования взвешенных сигналов. В устройствах 11 перемножаются коэффи­ циенты аоо на постоянные напряжения и формируются аналого­ вые управляющие сигналы. В соответствии с командами от мик­ роЭВМ. устройства 12 выдают сигналы коммутации. Сигналы, сформированные выходными устройствами, подаются в блоки ка­ меры и камерного канала. С пульта управления 13 оператор взаи­ модействует с системой автоматической настройки.

Рассмотренная МПС позволит за время около 90 с полностью настроить ТВ передающую камеру перед началом передач, уточ­ нить настройку камеры в перерывах между передачами за 18 с, сбалансировать уровни черного и белого, а также сцентрировать растры за 7 с. Испытания МПС совместно с ТВ передающей ка­ мерой КТ-178, развертки которой позволяют вводить все состав­ ляющие корректирующих сигналов, показали следующие резуль­ таты погрешности: в центральном круге диаметром 0,8Я (Я — высота кадра) — не более 0,02%, в круге диаметром Я — не более 0,05%, в трех углах — около 0,05% и в одном из углов — 0,2% [98J.

Метод координатного спуска, использованный в описанной выше системе автоматической настройки цветных ТВ камер, обес-

Г42

яечивает высокую точность настройки, наиболее прост в реали­ зации в виде программы микроЭВМ (объемы ОЗУ и ПЗУ мини­ мальны), но^ обладает невысоким быстродействием. Выигрывает по быстродействию метод наискорейшего спуска, так как направ­ ление поиска d/t=gft, где gk — вектор-градиент, составленный из первых производных целевого функционала !/7(а) по составляю­ щим вектора параметров а. Целевой функционал {102]

F<“)- I f {“.(*■?)-««(*,У)Г1+Рг—i~g>-+

где Л, Ь — высота и ширина ТВ кадра соответственно; рг, рл — коэффициенты пропорциональности; Лв, Кч, Кг, Кп — корректи­ рующие сигналы; б, ч, г, в — индексы «белое», «черное», «гори­ зонтальный», «вертикальный» соответственно.

В связи с тем, что целевая функция задана численно, для оп­ ределения /-й составляющей аппроксимация

тде оптимальный пробный шаг б=(4ео)П;1/3 выбирается из усло­ вия минимума ошибки аппроксимации, складывающейся из оши­ бок е0 квантования и отбрасывания Vj слагаемых тейлоровского разложения целевой функции lF(о). При аппроксимации коррек­ тирующих сигналов ортогональными полиномами шаг 6, тем больше, чем выше номер составляющей базиса. Число обращений к датчику целевой функции для набора вектора-градиента равно

2п+\ [102].

Дальнейшее повышение скорости настройки в методе Флетче­ р а — Ривса достигается путем использования при выработке нап­ равления поиска dft дополнительной информации о целевой функ­ ции, полученной на предыдущих (k—1)-й итерациях [105]. Преи­ мущества метода Флетчера — Ривса особенно проявляются при ^близких к квадратичным целевых функциях. В среднем время, затраченное на поиск минимума этим методом, на 25% меньше времени при использовании метода наискорейшего спуска. Пос­ ледние два метода требуют значительных объемов ОЗУ и ПЗУ

ине обеспечивают необходимой точности настройки.

Вметоде Ньютона направление спуска dfc=—Н~lkgiu где H_,ft — матрица, обратная матрице Гессе Н*, составленной из вторых

производных F(a) по координатам вектора параметров. Для квад­ ратичной целевой функции метод Ньютона сходится за одну ите­ рацию. Недостатком его является то, что необходимы набор и юбращение матрицы Н* размером пХ п и дополнительный объем ОЗУ для запоминания элементов обратной матрицы. Для набо­ ра матрицы Гессе методом конечных разностей требуется

143

Результаты моделирования различных методов нахождения минимума по­ казаны в табл. 5.1 [102]. Из результатов, приведенных в табл. 5.1, видно, что максимальную из всех методов скорость сходимости и точность настройки пока­ зал модифицированный метод Ньютона.

Алгоритм автоматической настройки одного канала камеры ЦТ, обеспечи­ вающий максимальное быстродействие и точность, приведен на рис. 5.16 [102].

Приведенный иа рис. 5.16 алгоритм можно применять при настройке цвет­ ной ТВ камеры по частным показателям качества

—й/2—Ь/2

где И}{х, у) — искаженный сигнал, /е{ч, б, г, в); ОД-} — операторы ввода корректирующих сигналов в ТВ сигнал исполнительными звеньями системы: управляемыми усилителями, генераторами разверток и отклоняющими систе­ мами; Ь и А — горизонтальный и вертикальный размеры растра.

Для ускорения процесса настройки следует минимум ЕЦаД искать путем определения нулей ее частных производных по составляющим а,-< вектора па­ раметров dF,-/daj,=0. Если операторы ввода с точностью до постоянной с§ тождественны, то с учетом сказанного (5.8) сводится к решению системы из. s-f-1 уравнений [102]:

ных относительно а*,- уравнений, каждое из которых решают имеющим нанвысшую скорость методом секущих. На каждом шаге итеративиого процесса (алг­

14S

Рис. 5.16. Алгоритм автоматической настройки одного канала цветной камеры

На первом шаге задают О] и а2 и 2 раза обращаются к датчику функция fu (a u ). На следующем шаге приравнивают Oi или а2 определенному на пре« дыдущем шаге итерации значению а* и 1 раз обращаются к датчику и вновь вычисляют в соответствии с соотношением (5.10). Итеративный процесс закан­

J46

Рис. 5.17. Алгоритм автоматического определения параметров коррекции кор­ ректирующих сигналов aji

Рассмотренный алгоритм учитывает свойства исполнительных звеньев системы автоматической настройки цветных ТВ камер. Наложенные условия тождественности с точностью до постоян­ ной Cj операторов ввода и ортогональности (а не ортонормироваяности) базисных сигналов легко выполнимы [102].

Остаточные искажающие сигналы И'^(х, у) и Я 'б{х, у) вы­ деляются вычитанием из ТВ сигналов от черного и белого тестобъектов соответствующих им эталонных сигналов. Сигналы И'г(х, у) и И'в{х, у) формируются широтно-импульсными моду­ лированными путем бинарного квантования ТВ сигналов от тестобъектов в виде чередующихся вертикальных или горизонталь­ ных черных полос на белом фоне с их последующим цифровым фазовым детектированием относительно эталонных сигналов Г102, 107].

, Особенно эффективно применять рассмотренный алгоритм для

1 4 7

значениями остаточных сигналов в пределах зон, на которые раз­ бито поле кадра, и вычисляются параллельно, так что число дат­ чиков увеличивать не надо [102].

Применение процессора совместно с ЗУ позволяет создавать оригинальные твердотельные ТВ камеры для получения однокад­ ровых изображений. В качестве датчика видеосигнала в камере может быть использован матричный преобразователь свет—сиг­ нал, причем такой, что число чувствительных элементов в нем в 4 раза меньше числа элементов получаемого ТВ изображения [88]. Между выходным зрачком объектива камеры и фоточувствительной матрицей преобразователя свет—сигнал устанавливает­ ся электрооптический коммутатор на жидких кристаллах и зер­ кальных призмах, который делит световое изображение С1 на четыре квадрата и последовательно направляет каждый из квад­ ратов изображения на чувствительную матрицу преобразователя свет—сигнал. Выходной видеосигнал преобразователя последова­ тельно записывается в соответствующей области буферного ЗУ,, которое формирует полный ТВ кадр.

5.3. С О ЗД А Н И Е ВИ Д Е О Э Ф Ф Е К ТО В У С ТР О Й С ТВ А М И Н А М И К Р О П Р О Ц Е С С О Р А Х

Новым этапом развития ТВ вещания можно назвать примене­ ние цифровой аппаратуры в ТВ студиях. С точки зрения телезри­ телей, наибольший результат приносит аппаратура спецэффектов,, построенная на базе МП систем. Практически ни одна развлека­ тельная передача не обходится без демонстрации различных ви­ деотрюков.

Цифровые запоминающие устройства при записи изображения присваивают каждому его элементу соответствующий адрес. При считывании можно произвольно менять эти адреса и таким обра­ зом добиваться желаемого эффекта: введения одного изображе­ ния в другое; имитировать эффект многократного эха; показы­ вать одновременно несколько зеркальных отражений; изменять масштаб изображения; передвигать изображение; квантовать егона отдельные участки.

Главное при создании спецэффектов — разработать програм­ мы изменения адресов участков изображения. Показано [111, 112],. что широкий класс телевизионных видеоэффектов может бытьрассмотрен как результат геометрического преобразования исход­ ного изображения С4. Разработан [ИЗ] единый алгоритм гео­ метрических преобразований, позволяющий получать разнообраз­ ные видеоэффекты. Возможность формировать различные видео­ эффекты по одному и тому же алгоритму позволяет ^упроститьустройство управления блока видеоэффекта. Естественно, блок работает по единой программе.

Телевизионные видеоэффекты часто создают путем реализа­ ции плоских движений, преобразований подобия, аффинных,, проективных и нелинейных преобразований изображения С4 [112]-

148

Наибольшее число видеоэффектов можно сформировать путем проективных преобразований, так как остальные являются их частными случаями.

Проективное преобразование телевизионного изображения С4 определяется следующим образом [113]. Пусть в пространстве задана плоскость А (рис. 5.18), которой принадлежит исходное ТВ изображение С4, картинная плоскость В, предметная плос­ кость Г, перпендикулярная картинной плоскости В, и система координат X 'Y 'Z 'O ', ориентированная так, что оси О'Х и O'Y' принадлежат плоскости В и ось О'Х', кроме того, принадлежит плоскости Г. В плоскости А заданы система координат XOY, оп­ ределяющая положение телевизионного изображения на плоскос­ ти А, и система координат X AOA Ya, ось 0 АХА которой лежит на линии пересечения плоскостей А и Г, а начало координат 0А на­ ходится на оси O'Z' системы координат X'Y'Z'O'.

-Положение ТВ изображения, принадлежащего плоскости А, -относительно плоскости В характеризуется углом поворота плос­ кости А вокруг прямой I, принадлежащей плоскости В и парал­ лельной оси O 'Y' (угол а), углом поворота плоскости А вокруг оси 0 АХА (угол р), углом поворота системы координат XOY отно­ сительно системы XAOAYA (угол а) и значением смещения систе­ мы координат XOY относительно системы XAOAYA на плоскости А. Будем считать известными расстояние мехсду началами коор­ динат 0 '0,\(Z ) гг координаты центра проекции S0(x'о, у'о, Z 'Q) в

системе X'Y'Z'O '.

Задачу сформулируем следующим образом: требуется опреде­ лить соотношения, описывающие центральное проецирование то­ чек плоскости В (с известными координатами) на плоскость А i[113J. Однако в [114] показано, что построение центральной проекции исходного изображения, принадлежащего плоскости А, на плоскость В сопряжено со значительными искажениями исход­ ного изображения, вызванными конечной точностью вычисления

.значений адресов обращения в ЗУ. Поэтому проецирование плос­ кости исходного изображения А на картинную плоскость нецеле­ сообразно. Выходом из положения является введение новой плос­ кости Л, проходящей через точку 0 А и параллельной картинной плоскости В. Зададим на плоскости А систему координат XA0 AY д,

Т1ервый — центральное проецирование точек плоскости В на вспомогательную плоскость А и второй —; проецирование точек плоскости А на плоскость изображения А с изменяющимся от элемента к элементу направлением проецирования. Углы наклона проецирующего луча (от плоскости А к плоскости А), определя­ ющие это направление, задаются направлением данного луча на участке от центра проекции S 0 до тех точек картинной плоскос­ ти В, которые соответствуют точкам плоскости А, проецируемые

149