книги / Микропроцессоры в телевидении

Рис. 2.4. S-образная кривая восприятия света

изменения цветовосприятия при изменении размеров элемен­ тов изображении С4;

ассимиляции оппоиентных цветов;

аддитивного и субтрактивного образования цветов;

образования объемного изо­ бражения С4;

воздействия адаптации на восприятие глубины;

после адаптации к яркости Lj на зрительную систему воздейст­ вует измененная яркость L,-, то возникает сигнал реакции, про­ порциональный обобщенному контрасту Кц

где Uj — ордината центра s-образной кривой; С/* — половина рас­ стояния между асимптотами s-образной кривой (рис. 2.4).

Обобщенный контраст представляет собой нормированный сиг­ нал реакции;

где иц — нормированный сигнал реакции.

Установлено [20, 25], что скорость нарастания иц уменьша­ ется пропорционально его квадрату, т. е. имеет место процесс с

Разложение функции Кц в ряд по степеням x= ln(LilL j) поназывает, что закон контрастного восприятия света включает в себя закон Вебера — Фехнера в качестве первого приближения:

41

З а к о н ф о р м и р о в а н и я у р о в н я а д а п т а ц и и [20] гласит, что при наличии на изображении С4 участков разной яр. кости зрительный аппарат адаптируется к яркости

где р{_ выборочная вероятность или частость попадания значе.

нимать яркость и контраст изображения С4 постоянными, несмо­ тря на существенные изменения уровня адаптации — средней яр­ кости или освещенности. При этом как бы отсчитываются зна­ чения яркостей отдельных элементов изображения С4 от уровня

адаптации L0.

З а к о н з р и т е л ь н о г о в о с п р и я т и я с т р у к т у р н о г о и з о б р а ж е н и я отражает восприятие контраста многоэлемент­ ного изображения С4

трасте процессе осмотра структурного изображения С4; p(Kijo) — плотность распределения; Kiо, Kjo — контрасты £-го и /-го элемен­ тов; I, j — номера элементов (участков) изображения С4.

З а к о н э к с т р е м а л ь н о г о з р и т е л ь н о г о в о с п р и я ­ т и я с в е т а есть вариация задачи на максимум информации, получаемой зрительной системой о внешнем сигнале [26]. При ре­ шении вариационной задачи получается, что максимум информа­ ции поступает, при условии

Совпадение (2.10) с формулой закона контрастного восприя­ тия света, выведенной на основании анализа экспериментальных данных, означает, что обработать световой сигнал зрительной системой по алгоритму обобщенного контраста — значит обеспе­ чить максимум получаемой о нем информации. Иначе говоря, свет и изображения воспринимаются при максимальном количе­ стве информации по Шеннону [20].

З а к о н ы в о с п р и я т и я цве т а . Рассмотрим кратко.

Закон одновременного цветного контраста говорит о том, что при одновременном наблюдении участков изображения С4, фор­ мируемых светом с разным спектральным составом и создающих при последовательном наблюдении ощущения различных цветов, эти ощущения изменяются. Причем цвета изменяются .в сторону

42

наибольшего удаления друг от друга. Если принять, что такими взаимно наиболее отличающимися являются дополнительные цве­ та, то можно сказать: они изменяются в сторону цвета, близкого дополнительному цвету фона. Цвета контрастные совпадают с до­ полнительными лишь для четырех участков спектра (близких к длинам волн в 460, 500, 510, 570 нм). Особенно значительны рас­ хождения для синего и желто-оранжевого цветов спектра. Здесь цвета одновременного контраста значительно сдвинуты в сторо­ ну фиолетового и красного до сравнению с цветами дополнитель­ ными. Например, для синего цвета цветом одновременного кон­ траста является оранжевый, для желтого — сине-фиолетовый. Следует специально отметить, .что возникающие по контрасту цве­ та не взаимны. Если, например, к желто-зеленому цвету (541 нм) контрастным является оранжевый (598 нм), то оранжевому конт­ растным будет уже не желто-зеленый (541 нм), а сине-голубой (487 нм) [28].

Закон последовательного цветового контраста говорит о том, что в результате предварительного действия на глаз излучения какого-либо цвета изменяется цвет воспринимаемого цветового поля.

Экспериментально показано [29], что цветность после цвето­ вой адаптации может значительно изменяться. Характер же ее изменения не зависит от яркости наблюдаемого цвета. Цвет, вос­ принимаемый человеком на белом фоне, в результате явлений последовательного контраста является близким к дополнитель­ ному цвету. Цвета последовательного контраста по сравнению с цветами дополнительными несколько отодвинуты от зеленого или, что тоже, сдвинуты к красному или синему [28].

Закон константности, цветовосприятия, или закон поправки на освещение, гласит, что, несмотря на. изменения условий освеще­ ния и соответственно отраженного от поверхности предмета из­ лучения, зрительная система узнает привычную окраску предме­ та, т. е. в зрительной системе существуют механизмы поправки на освещение, работающие автоматически [29, 30].

Закон изменения цветовосприятия при изменении размеров элементов изображений С4 формулируется следующим образом. При угловых размерах деталей изображений около 15' в попе­ речнике резко снижается способность зрения к цветоразличению, особенно в области спектра от синего до зеленого [31]. Ослаб­ лению цветоразличительной способности глаза способствуют так­ же длительное рассматривание цветных деталей на изображении С4, что объясняется явлением локальной адаптации, а также ма­ лые яркости рассматриваемых деталей [32]. Эти, хотя пока пол­ ностью и непознанные психофизиологические особенности цвето­ вого зрения — резерв повышения эффективности систем переда­ чи, обработки и отображения информации, связанной с воспри­ ятием цвета.

Закон ассимиляции оппонентных цветов [33]; для каждого сочетания цветов при равенстве их субъективной яркости суще-

43

ствует определенный диаметр стимула, при уменьшении которого наступает ассимиляция цвета, т. е. уподобление цвета стимула цвету фона. С увеличением яркости цвета фона предельные ди­ аметры стимулов уменьшаются и для обоих цветов достигают одинаковой величины. Предельные диаметры' останутся одинако­ выми, если цвета фона и стимула поменять местами.

Законы аддитивного и субтрактивного образования цветов [29]. Первый закон: если три цвета А, В, С линейно независимы, то при аддитивном их сложении одним из способов: оптическим, по­

где а, Ь, с, d — относительные количества излучений, соответст­ вующие цветам А, В , С, D.

Согласно второму закону аддитивного образования цветов не­ прерывному изменению излучения соответствует непрерывное из­ менение цвета.

Третий закон: цвет смеси нескольких излучений определяет­ ся не спектральными составами смешиваемых излучений, а их цветами:

где Dh D%— цвета смешиваемых излучений; D — результирующий цвет; аи а2, bi, b2, си с2— относительные количества цветов 4, В, С в смешиваемых излучениях £>i и D2.

Из этого закона следует, что компоненты цвета смеси равны суммам компонентов смешиваемых цветов.

Субтрактивный способ состоит в вычитании цветов, осущест­ вляемом поглощением части излучения при прохождении через полосовые фильтры различной физической природы. Результи­ рующий цвет субтрактивного смешения определяется разностью между исходным белым и цветом излучения, поглощенным после­ довательно расположенными на пути светового пучка фильтрами. В отличие от аддитивного способа, при котором можно смешать любые цвета без каких-либо ограничений, предъявляемых к спек­ трам смешиваемых излучений, для образования субтрактивного цвета необходимо, чтобы в исходном цвете присутствовали те же цвета, которые из него вычитаются. Яркость результирую­ щего цвета будет всегда меньше яркости исходного белого [29].

З а к о н ы , с в я з а н н ы е с о б ъ е м н ы м и и з о б р а ж е н и ­ я м и С4. Объемное изображение С4 возникает как при моноку­ лярном, так и при бинокулярном зрении. В телевидении реально используются свойства бинокулярного зрения [34], где основную роль играет глазной базис — расстояние между зрительными ося­ ми при рассмотрении удаленных предметов. Из-за наличия глаз­ ного базиса центры проекции изображения С4 сцены приходятся не на идентичные точки сетчатки глаз, что приводит к возникно­ вению пространственного представления о сцене. Угол между

44

зрительными осями называют углом конвергенции у*-, а угол ме­ жду парой соответственных лучей — параллактическим углом упЭти углы весьма малы [35]:

Не двоятся при наблюдении только те точки предметов, па­ раллактические углы которых .не отличаются от параллактичес­

Точность оценки глубины пространства зависит от остроты стереоскопического зрения, т. е. от наименьшей разности парал­ лактических углов двух объектов, при которой еще замечается разность глубины этих объектов. Эта разность Ау зависит от условий наблюдения. Для опытных наблюдателей среднее значе­ ние Ду=30", если рассматриваются точки, Ду=10", если рассма­ триваются вертикальные штрихи [35]. Точность восприятия глу­ бины

Радиус невооруженного стереоскопического зрения R для сред­ него наблюдателя равен 450 м. Увеличить этот радиус молено с помощью разнесения крайних точек базиса, например с помощью ТВ передающих камер, стереотрубы, призменного бинокля и т. п. Тогда новый радиус [35]

где Вс — новый стереобазис; Vn— линейное увеличение прибора наблюдения.

Если стереоизобралеение С4 создается с помощью двух ТВ изобралеений, полученных от разнесенных в пространстве переда­ ющих камер, то для возникновения стереоэффекта необходимо вы­ полнять следующие условия [закон образования объемных изобрао/сений):

1)масштабы ТВ изобралсений С4 на ТВ экранах не должны отличаться более чем на 16%;

2)каждый глаз смотрит только на один экран;

3)экраны должны быть расположены так, чтобы соответст­

венные зрительные лучи пересекались;

4)угол пересечения соответственных лучей не доллсен быть более 16°;

5)при данном значении параллактического угла доллена обес­

печиваться соответствующая аккомодация глаз.

На восприятие глубины влияет явление адаптации. Закон воз­ действия адаптации на восприятие глубины говорит о том, что

45

при длительной адаптации на точечные стимулы изменяется вос­ приятие их глубины [36].

З а к о н в л и я н и я с х о д с т в а на в о с п р и я т и е и з о б ­ р а ж е н и й : верность восприятия изображения и эффективность поиска на нем интересующих наблюдателя предметов увеличи­ ваются при повышении степени сходства воспроизводимого и ис­ ходного изображений. При обработке изображений С4 часто важ­ но сохранить сходство исходного изображения с предъявляемым. Сходство — интуитивно понятный термин и весьма сложный для точного определения. Предложены различные математические формулы для его вычисления {18]. Одним из критериев, проверен­ ным экспериментально, является критерий на базе взвешенного

зованный пространственные спектры изображения С4; V(Nx,N v) — весовая функция влияния составляющих пространственного спек­ тра на субъективные восприятия сходства изображений С4 (в качестве этой функции можно в первом приближении использо­ вать функцию передачи модуляции (ФПМ) зрительного анали­ затора, которая отражает в значительной мере субъективность восприятия); Nx\ — пространственные частоты; Nxm\ Nym — верхние пространственные частоты, определяющие границу ФПМ зрительного анализатора.

В прикладных задачах обработки иногда молено оценить слоленость ТВ изобралсения С4 с точки зрения поиска и распознава­ ния некоторого предмета из априори заданного алфавита. Напри­ мер, такая задача возникает при создании способа обработки ТВ изображений С4, получаемых ТВ микроскопами при обнарулеении каких-либо микроорганизмов. Зрительный поиск — это про­ цесс выдвижения и проверки гипотез о сходстве или различии образа искомого предмета с тем или иным участком изображе­ ния С4 («пятном» или совокупностью «пятен»), в результате ко­ торого наступает или не наступает обнаружение предмета. Про­ верить гипотезу можно путем распознавания участка. Распоз­ нать — значит отнести рассматриваемый участок изображения С4 к тем предметам или помеховым изобралсениям, которые мы знаем. Обнаружить — значит правильно указать местонахолсдение предмета на изображении С4, т. е. устранить его простран­ ственную неопределенность, наступающую в результате поиска. Наличие на изображении других предметов (кроме искомого) за­ трудняет решение зрительной задачи. Каждому стимулу (пятну), выявленному на изображении С4, можно с некоторой вероятно-

46

стыо поставить в соответствие образ — эталон из априорно за­ данного перечня предметов. Чем шире перечень, тем больше не­ определенность [37]. Таким образом, сложность определяется числом предметов, схожих с искомыми на изображении, и сте­ пенью сходства. Для каждого искомого предмета с учетом экс­ периментальных данных молено определить сложность -

в степени 2,6 логарифмов сходства. Присутствием в (2.18) лога­ рифмов является отобралеением общего закона реакции организ­ ма на стимулы различной физической природы.

Эффективность обработки ТВ изображений С4 во многом за­ висит от точного и полного учета рассмотренных выше иконических законов восприятия. Применение МП позволяет реализо­ вывать сложные нелинейные зависимости и осуществлять адап­ тивную и интерактивную обработки.

Структурная схема алгоритма обработки изображений С4 представлена на рис. 2.5 и отралсает общий иконический подход

крешению задачи обработки.

Впроцессе постановки задачи определяют (уточняют) цель обработки, исходные данные, те ограничения, в рамках которых эта задача будет решаться, а также выбирают критерий, на ос­ нове которого будут определяться эффективность обработки, уро­ вень критерия, принимаемый за минимально допустимый в дан­ ных внешних условиях .решения задачи обработки изображения. Затем составляют схему прохолсдения сигнала и его формирова­ ния для определения узлов, в которых наибольшим образом пре­ образуется, изменяется сигнал, мест узлов, в которых возмолено самое эффективное воздействие на него, а главное для составле­ ния передаточной характеристики всего тракта и формирования сигнала изобралсения С4. После анализа схемы прохолсдения сигнала выбирают узлы, в которых будет осуществляться преоб­ разование, описывают процессы, происходящие в этих узлах. Да­

лее приступают к основному этапу работы — разработке алгорит­ ма обработки изобралсения С4. Молсет быть несколько вариантов' таких алгоритмов, при этом сложно выбрать наиболее эффектив­ ный из них.

С одной стороны, для достижения иаилучшего результата об­ работки требуется услолснять алгоритмы или. применять в них такие блоки, которые реализуются сложными техническими устройствами. Причем слолсность может быть как схематическая, так и технологическая. С другой стороны, усложнения приводят к удоролсанию устройств обработки. Поэтому необходимо решить

47

Рис, 2.5. Функциональная схема алгоритма обработки изображений

48

оптимизационную задачу, для чего требуется учитывать по воз­ можности всю совокупность законов зрительного восприятия.

После разработки алгоритма необходимо его промоделировать на ЭВМ, оценить эффективность и убедиться в том, что ее уро­ вень удовлетворяет требуемому. Затем можно приступить к выбору схемы обработки, реализующей полученный алгоритм, и к выбору МП, который наилучшим образом вписывается в схему обработки. Порядок работы по выбору МП может нарушиться, если не окажется экземпляра, удовлетворяющего требованиям выбранной схемы обработки. Приходится под имеющийся в рас­ поряжении проектировщика МП разрабатывать алгоритм обра­ ботки. Конечно, в этом случае он не будет оптимальным.

2.2. ПРИМЕНЕНИЕ МИКРОПРОЦЕССОРОВ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ТВ ИЗОБРАЖЕНИИ

Оценка качества изображений. Телевизионное изображение С4 — продукция индустрии телевидения. Качество продукции [38] — совокупность свойств и мера полезности, обусловливаю­ щие ее способность все более полно удовлетворять общественным и личным потребностям человека. Использование МП в телеви­ дении позволяет в широких пределах изменять сигнал, а следо­ вательно, повышать качество ТВ изображения С4.

Оценка качества изображения С4 зависит от цели, которая должна быть достигнута с его помощью. Изображение обладает техническим и художественным качеством, может быть статич­ ным (неподвижным), например в ТВ астрономии, рентгенотелевидении, при передаче и обработке ТВ методами фотоизображений, и динамическим (подвижным), быстроменяющимся. В ТВ веща­ нии обращают большое внимание на художественное качество изо­ бражения, которбе, как правило, присуще динамическому ТВ изо­ бражению, обладающему свойством психологического воздейст­ вия на человека. В современном телевидении изображение не мо­ жет считаться обладающим высоким художественным качеством, если при его формировании не использованы различные специ­ альные эффекты, например динамическое изменение цветности, масштаба и ракурса, оконтуривание и совмещение нескольких изображений С4 и т. п. Эти эффекты можно получить с помощью микропроцессорной техники. Художественное качество тесно свя­ зано с законами художественного восприятия. Оценка качества зависит и от достигнутого уровня развития микропроцессорной техники на момент оценки: то, что еще вчера считалось высоко­ качественным, сегодня таковым, увы, может и не быть, требу­ ются новое осмысление и развитие самого понятия качества ТВ изображения С4.

Наиболее общим критерием оценки качества может служить степень.достижения цели с помощью изображения С4. Этот кри­ терий может быть выражен количественно каким-либо числом

49

(процент, вероятность, доля) либо качественно словесными вы­ ражениями: «достигается полностью», «почти достигается», «до­ стигается не полностью»,, «не достигается», «трудно что-либо оп­ ределенно сказать», причем эти выражения должны быть зара­ нее ранжированы.

Так качество изображения С4, получаемого с помощью ТВ микроскопа, можно оценить вероятностью обнаружения заданно­ го типа микроорганизмов при допустимых значениях верой:иэсти пропуска и ложной тревоги, в ТВ астрономии — вероятно­ стью обнаружения астрономических объектов заданного уровня минимальной энергетической яркости.

Качество ТВ изображения С4 планет, астероидов и других космических объектов можно оценить степенью достоверности данных, получаемых после их обработки. В начале развития кос­ мического ТВ качество изображения .оценивали, например, отно­ шением сигнал-шум.

В системах ТВ наблюдения, используемых ГАИ, качество изо­ бражения С4, как это ни выглядит на первый взгляд странно, можно оценить дальностью распознавания цифр на номерных знаках автомобилей с заданной вероятностью в нормированных условиях наблюдения.

Перечисленные оценки качества изображения субъективны, т. е. связаны с эффективностью деятельности человека-наблюда- теля. Однако созданы и действуют ТВ устройства для робото­ техники, где ТВ изображения С4 используются в технических уст­ ройствах для принятия каких-либо решений. В этих случаях, ког­ да формируемое изображение С4 может быть весьма далеким от привычного человеку [39], его качество можно оценивать через

вероятности выполнения стоящей перед роботом задачи, но это уже будет объективная оценка. Например, для ТВ системы ро­ бота, осуществляющего захват определенных деталей, такой оцен­ кой может служить вероятность правильного захвата. При этом, необходимо предъявить определенное требование к эксперимен­ ту, а именно в течение времени его проведения все технические параметры робота, обусловливающие решение задачи, должны быть неизменными. Такой подход к оценке качества изображе­ ния может быть назван обобщенным, интегральным.

Возможен и другой подход. Можно выделить те технические (объективно измеряемые) параметры изображений С4, которые влияют.на достижение конечной цели, установить степень их вли­ яния, выделить главные компоненты, определить функциональ­ ную зависимость достижения конечной цели и в итоге измерять только эти компоненты. Однако этот способ менее точен.

Значительно сложнее оценить качество телевещательного изо­ бражения. Эта оценка связана с большим разнообразием типов сюжетных передач, демонстрируемых зрителю. Для одного сю­ жета качество изображения С4 может позволить достигнуть ка­ кую-либо цель, для другого — нет. Кроме того, множества этих

50