Способ анализа и синтеза телевизионного изображения Советский патент 1959 года по МПК H04N7/12 

где / - время; х и у - координаты точки плоскости фотокатода; В (x,y,t) - функция ра,спределения яркости в изображении на фотокатоде или функция распределения зарядов на мишени трубки; 1(х-х.„ ) ()-функция распределения «прозрачности анализирующей эпертуры; Ха к у а -координаты центра апертуры.

При этом анализ изображения осуществляется одной апертурой, имеющей положительную функцию прозрачности, симметричную относительно аси апертуры. За пределами некоторой площадки, построенной па так называемом «эффективном диаметре аперт фы, величина прозрачности быстро убывает до нуля. С точки зрения двумерного преобразо1вания Фурье такая апертура образует двумерный фильтр так называемой пространственной частоты. Увеличение размеров апертуры приведет к исчезновению деталей, размеры которых меньше эффективного диаметра апертуры, и, соответственно, к увеличению нерезкости контрастных границ, что эквивалентно сокращению полосы пропускания двумерного фильтра. Эффективный диаметр апертуры определяет количество элементов изображения и размер одного элемента.

№ 120534

В технике телевидения известны также у1стройства, с помощью которых можно разделять видеосигнал электрическими фильтрами на не|Сколько каналов, с целью учесть свойства зрения путем использования в каждом канале различного числа ступенек квантования, а также различной скорости смены кадров. Однако разделение электрическими фильтрами сигнала, полученного одной анализирующей апертурой, позволяет учесть размер деталей только в одном измерении - вдоль направления развертки, что является общим недостатком для всех известных способов получения телевизионного сигнала.

В предлагаемом способе анализа и синтеза телевизионного изображения учитывается размер деталей в двух измерениях, что позволяет путем более полного учета особенностей зрительного восприятия повысить экономичность телевизионных систем, передавать телевизионные сообщения по каналам с уменьшенной пропускной способностью без заметного ухудшения качества, упростить процессы записи и воспроизведения телевизионного сигнала. Согласно изобретению, передаваемое сообщение, т. е. телевизионное изображение B(x,y,t) подвергается одновременному воздействию нескольких отличаюшихся друг от друга анализирующих апертур, которые могут иметь как участки с «положительной прозрачностью, так и участки с «отрицательной прозрачностью. Совокупность таких апертур позволяет выделить на разных выходах анализатора сигналы, несущие информацию о деталях различной величины, а вместе с тем, конечно, и о соответствующих градациях четкости контурных очертаний переходов при передаче контрастных границ.

С точки зрения двумерного преобразования Фурье совокупность указанных апертур составляет группу двумерных фильтров так называемой пространственной частоты. Размер элемента изображения, полученного после синтеза, определяется апертурой, равной .сумме функций распределения отдельных апертур. Наибольшая апертура имеет положительную прозрачность и представляет собой двумерный фильтр низкой частоты. Сигнал, создаваемый этой апертурой, позволяет построить изобра кение, соответствующее дефокусированному исходному изображению. При этом число эффективно различимых элементов изображения уменьшается пропорционально квадрату эффективного диаметра апертуры. Апертуры, обладающие участками положительной и отрицательной прозрачности можно рассматривать как результат вычитания двух апертур с разными эффективными диаметрами, с совмещенными осями и с равными «объемами функции распределения. С точки зрения двумерного преобразования Фурье такая апертура представляет собой некоторый двумерный полосовой фильтр пространственной частоты, границами полосы пропускания которого являются характеристики двумерных фильтров низкой частоты, образовавших данный полосовой фильтр. Верхней границей полосы пропускания является характеристика фильтра с меньшим эффективным диаметром апертуры, а нижней границей является характеристика с большим эффективным диаметром. Реакция полосового фильтра на некоторое изображение соответствует разности реакций двумерных фильтров, являющихся его границами, подобно тому как реакцию обычного одномерного электрического фильтра можно представить в виде разности реакций двух электрических фильтров низкой частоты.

Для достижения требуемой точности анализа и синтеза необходимо обеспечить правильпое примыкапие пропускания двумерных фильтров. Другими словами, верхняя граница полосы пропускания одного фильтра должна с достаточной точностью соответствовать нижней границе полосы пропускания соседнего фильтра. При этом функции распределения апертур, осуществляющих анализ исходного изоЕЗражения, в

сумме образуют апертуру, функция распределения и эффективный диаметр которой были заданы при выборе стандарта четкости телевизионной системы. Четкость синтезированного изображения при выполнении условия правильного примыкания соответствует четкости, обеспечиваемой обычным способом анализа и синтеза изображения одной апертурой с таким же эффективным диаметром.

Ввиду тото, что анализ изображения ведется одновременно несколькими апертурами, выполняющими функции двумерных фильтров, исходное изобра кение создает одновременно несколько сигналов. Несущих информацию о деталях различной величины, причем при разделении информации размеры деталей учтены в двух измерениях. Это позволяет более правильно выбрать необходимую точность воспроизведения путем более полного использования особенностей зрительного восприятия.

При обработке указанных сигналов предусматривается не только известный прием квантования отдельных сигналов на разное число уровней, использующий особенности контрастной чувствительности зрения, но также использование инерционности зрения путем применения квантования с переменными по времения порогами.

Этот прием позволяет при заданном числе ступенек квантования улучщить качество, уменьщив влияние щума квантования, или при заданном качестве уменьщить число ступенек квантования и сократить объем татевизионного сигнала. Наличие значительной усредняю.щей способности зрения подтверждается, например, черезстрочной системой развертки, методами введения поднесущей и др. Использование переменных порогов квантования позволяет достигнуть большей экономичности в сравнении с методом введения поднесущей или методом точечного перемежения при меньшем ущербе для качества изображения.

Предлагаемое использование порогов квантования, положение которых меняется в процессе передачи по oпpeдeлeннoJмy закону, известному на приемном конце, пригодно, конечно, и для других способов образования телевизионного сигнала.

Применение двумерной фильтрации позволяет использовать более простые запоминающие устройства, ибо в канале мелких деталей во многих случаях окажется достаточным различение всего двух дискретных уровней, а наиболее точное воспроизведение полутонов потребуется в канале с наиболее крупными деталями, где от запоминающего устройства не потребуется высокая разрещающая способность. При обычных способах образования телевизионного сигнала для кодирования требуются запоминающие устройства, имеющие как высокую разрещающую способность, так одновременно и точное воспроизведение полутонов. Таким образом, дву1мерная фильтрация позволяет облегчить не только процессы сокращения физиологической избыточности, но и процессы сокращения статистической избыточности, благодаря возможности использования упрощенных запоминающих устройств. Двумерная фильтрация позволяет выбрать для сигналов, создаваемых разными апертурами, различные способы статистического кодирования, а также позволяет, кроме известных, использовать новые, специфические способы сокращения избыточности, основанные на связях между сигналами, создаваемыми ра.ными апертурами.

Преимущества двумерной фильтрации не ограничиваются экономичными системами телевидения. Двумерный полосовой фильтр способен рещать задачу выделения слабых звезд в астрономической оптике. Двумерные фильтры в сочетании с матричными схемами могут существенно улучщить методы «маскирования, применяемые в кинотехнике для цветокоррекции.

№ 120534

120534

На фиг. 1 показана скелетная схема устройства, работающего в соответствии с предлагаемым способом анализа и синтеза телевизионного изображения; на фиг. 2, 3, 4 поясняется работа некоторых блоков скелетной схемы.

Исходное изображение после оптического расщепления в блоке / проектируется на фотокатоды нескольких телевизионных передающих трубок. В частном случае, па фиг. 1 показаны четыре трубки: 2, 3, 4 и 5. В каждой трубке анализ изображения ведется одной апертурой, причем эффективные диаметры апертур последовательно нарастают от блока трубки 2 до блока трубки 5. Количество эффективно различимых элементов изображения сокращается последовательно от блока трубки 2 до блока трубки 5, так как число эффективно различимых элементов обратно пропорциональпо квадрату эффективного диаметра апертуры.

Использование нескольких апертур создает возможность пезависимого выбора системы развертки и частоты смены кадров, что облегчает использование особенностей контрастной чувствительности и инерпионности зрения для сокращения объема телевизионного сигнала.

Сигнал, образованный передающей трубкой 2, подается в устройство для формирования реакции двумерного полосового фильтра 6. Это устройство вместе с передающей трубкой 2 образует двумерный полосовой фильтр, на выходе которого сигнал несет информацию о деталях, величина которых заключена между величинами эффективных диаметров апертур трубки 2 и трубки , поскольку выполнено условие правильного примыкания полос пропускапия соседних двумерных фильтров. Передающая трубка 5 вместе с блоком 7 и трубка 4 вместе с блоком 8 образуют также двумерные полосовые фпльтры, выделяющие информацию о деталях, величина которых определяется после блока 7 эффективными диаметрами апертур трубок 5 и 4, а после блока 8 - эффективными диаметрами трубок 4 и 5. При помощи оптических средств для некогеррентных источников света получить апертуру полосового двумерного фильтра с участками отрицательной прозрачности невозможно. Однако средствами электроники можно выполнить операцию вычитания .сигналов, которая соответствует вычитанию реакций двух низкочастотных двумерных фильтров, заданных в качестве границ полосового фильтра. Разность откликов двух апертур эквивалентна отклику на разностную апертуру. Для получения разности реакций можно использовать запоминающие устройства, например линии задержки, а затем осуществить алгебраическое суммирование сигналов, соответствующих разным элементам изображения с соответ1ствующими весовыми коэффициентами. Если во всех, трубках анализатора используются одинаковые развертки, то возможно также непосредственное вычитание сигналов этих трубок.

На фиг. 2 показана функция распределения cp(x,t/) апертуры двумерного полосового фильтра, соответствующая разности двух функций распределения двумерных фильтров низкой частоты с равными «объемами и с совмещенными «осями /„ (х,г/) и /

(f(x,y) fa(X,y} fe (Х,У).

Условие равенства «объемов

со+со-Ьоо + оо

i 1 fa(x,y)dxdy J /, (х,у} dxdij

-оо -со-со -со

необходимо для полного подавления крупных деталей, величина которых больше величины эффективного диаметра В больщей апертуры.

На фиг. 3 в качестве примера показан лростейщий двумерный фильтр, построенный при помощи линии задержки и суммирующего устФиг.З

ройства. Из сигнала яркости данного элемента а вычитаются сигналы яркост1И четырех соседних элементов изображения Ь, с, d, е каждый с весовым коэффициентом, равным 0,25.

Развертка осуществляется последовательно с периодом развертки Т. Очевидно, что сигнал, полученный таким образом, будет отличаться от нуля лишь при передаче мелких деталей и резких контрастных переходов. В этом простейшем а-тучае реакция двумерного полосового фильтра соответствует второй производной в конечных разностях функции B(x,y,i, описываюш,ей исходное изображение

ф(0 a(t) (/) + c(t + d(t + e(t.

Относительно сигнала е сигнал а задержан на время Т, сигнал d - на время 2Тг, сигнал b - на время (Ti + 2); сигнал с - на время (), Т2-длительно.сть передачи одного элемента изображения. Таким образом, сигнал а соответствует центральному элементу, сигналы b и с -смежным элементам в той же строке, а сигналы с н d - смежным элементам из соседних строк.

Для получения двумерного фильтра низкой частоты можно также применить запоминающие устройства, однако, значительно удобнее осуществлять такие фильтры при помощи оптической дефок усировки изображения на фотокатоде, или дефокусировки читающего электронного луча, или дефокусировки электронного изображения на накапливающей мишени трубки. Поэтому после трубки 5 (двумерного фильтра низкой частоты) не требуется специального устройства для формирования характеристик апертуры. На фиг. 1 показано в качестве примера разделение информации о деталях разной величины при помощи четырех двумерных фильтров.

Сигналы, образованные двумерными фильтрами, поступают на квантующие устройства 9, 10, 11, 12. Эти квантующие устройства могут иметь различное число ступенек квантования, а также могут иметь пороги квантования, полол-сение которых меняется во времени по определенному закону, известному на приемной стороне. Чтобы не загромождать фиг. 1, цепи управления положением порогов квантования, идущие от генератора разверток 13 к блокам 5, 10, 7/, 12, на фиг. 1 не нанесены. В качестве примера на фиг. 4 показаны характеристики квантующего устройства с переменным положением порогов квантования, разным для четных Л и для нечетных В кадров.

Описанные этапы обработки сигнала осуществляют сокращение алфавита телевизионного сигнала, т. е. уменьшают количество цифр, символов, необходимых для дискретного представления телевизионного сообщения путем учета особенностей контрастной чувствительности и инерционности зрительного восприятия. Дальнейшее сокращение объема телевизионного сигнала осуществляется в кодируюадем устройстве 14 путем учета статистических особенностей полученных сигналов. Кодированный сигнал поступает через линию связи или систему записи-воспроизведения 15 в декодирующее устройство 16, на выходе которого получаются сигналы, которые с заданной точностью соответствуют сигналам на выходе двумерных фильтров 6, 7, 8. Неизбел ные расхождения возникают за счет так называемого «шума квантования и ошибок при передаче символов по каналу с помехами. В декодирующем устройстве осуществляется также необходимая задержка этих сигналов, обеспечивающая точный синтез видеосигнала и передаваемого изображения.

Для осуществления синтеза сигнал, соответствующий двумерному фильтру низкой частоты, подается на блок перезаписи 17, в котором осуЛо 120534

№ 120534

щестБЛяетст переход от развертки, соответствующей трубке 5, к развертке, соответствующей трубке 4. Перезаписанный сигнал поступает в сумматор 18, в котором складывается с сигналом, соответствующим сигналу на выходе двумерного фильтра 8. Сумматор имеет возможность регулировок относительных уровней складываемых сигналов. После сумматора образуется сигнал, повторяющий с допустимой погрешностью сигнал на выходе трубки 4. В устройстве перезаписи /9 и в сумматоре 20 образуется таким же образом сигнал, повторяющий с заданной точностью ситнал на выходе трубки 3.

В устройстве перезаписи 21 происходит преобразование к развертке, соответствующей трубке 2, и видеосигналу на выходе системы. После сумматора 22 восстанавливается с заданной точностью видеосигнал, при помощи которого обычным образом на контрольном кинескопе 23 получается переданное изображение, имеющее полную четкость. На кинескопе 24 образуется изображение с пониженной четкостью, соответствующее видеосигналу трубки 3. Кинескопы 25 и 26 образуют изображения, четкость которых соответствует видеосигналам трубок 4 и 5. Контрольные кинескопы нужны для правильной установки относительных уровней сигналов при суммировании в блоках 18, 20, 22, а также для правильной установки синхронности и геометрической точности синтеза. Кинескопы,, контролирующие качество перезаписи на фиг. 1 не показаны. Генератор разверток 27 управляется синхронизирующим сигналом, поступающим от декодирующего устройства 16 и создает такие же напряжения разверток, как и генератор разверток 13 на передающей стороне, вследствие чего обеспечивается надлежащая точность синтеза и не требуется передавать по каналу связи 15 все сигналы разверток в отдельности. Чтобы не загромождать фиг. 1, цепи управления развертками кинескопов 23, 24, 25, 26 и развертками устройств перезаписи 17, 19, 21, идущие от генератора разверток 27, не нанесены.

Предмет изобретения

Способ анализа и синтеза телевизионного изображения, основанный на разделении сигнала на несколько каналов с последующим их квантованием на различное число уровней, отличающийся тем, что, с целью более значительного сокращения объема телевизионного сигнала в этих каналах применяют анализаторы (передающие трубки) с различными апертурами для учета размеров деталей изображения в двух измерениях, что позволяет осуществить в каждом канале квантование с переменным порогом, а эквивалентные апертуры с отрицательными участками получаются с помощью отведения соответствующих сигналов из различных точек линии задержки с последующим алгебраическим суммированием этих сигналов.