Материал: E3W3aEqN89

На правах рукописи

Баранов Павел Сергеевич

МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ИЗОБРАЖЕНИЯ,

ФОРМИРУЕМОГО ЦВЕТНЫМИ ОДНОМАТРИЧНЫМИ ТЕЛЕВИЗИОННЫМИ КАМЕРАМИ

Специальность

05.12.04 - Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург

2014

2

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина) и ОАО «Научно-исследовательский институт телевидения»

Защита состоится «17» декабря 2014 г. в 1530 на заседании диссертационного совета Д212.238.03 при Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, Санкт- Петербург, ул. Проф. Попова, дом 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета и на сайте http://www.eltech.ru/.

Автореферат разослан «14» октября 2014 г.

3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность исследования

В настоящее время одной из главных тенденций производителей ТВ камер является переход от трехматричной к одноматричной схеме формирования сигналов цветного телевидения. Прежде всего, это связано с недостатками трехматричной схемы, такими как сложность, дороговизна, значительные габаритные размеры и масса.

Одноматричная ТВ камера для формирования цветного изображения использует один монохромный фотоприемник (ФП), на поверхность которого нанесена структура кодирующих светофильтров (СКС). Она производит разделение падающего света на спектральные диапазоны (R, G, B и др.) и производит их дискретизацию в плоскости ФП.

При одноматричной схеме формирования цветного изображения происходит уменьшение чувствительности цветной ТВ камеры в 6 – 10 раз по сравнению с черно-белой, а также разрешающей способности на 20 – 30% по сравнению с ТВ камерой, использующей три ФП. Кроме того, сформированное изображение содержит различного рода ложные сигналы и артефакты, вызванные особенностями используемого ФП, параметрами СКС, внешними помехами.

Вопрос оценки качества изображения, формируемого ТВ камерой, достаточно сложный и неоднозначный. До сих пор не выработано строгой методики оценки качества изображения, не регламентированы параметры и критерии, по которым следует производить анализ. Традиционно для ТВ системы как показатели качества выделяются чувствительность, разрешающая способность, помехоустойчивость к различного рода артефактам, возникающим на изображении в процессе его формирования и передачи.

Экспериментально и теоретически было показано, что используемая в ТВ камере СКС в значительной степени влияет на все три параметра, определяющих качество формируемого изображения. Крупные фирмы-производители предлагают собственные новые СКС, однако ни одна из них не смогла занять лидирующих позиций. Недостаточная теоретическая проработанность методологии анализа СКС и алгоритмов их синтеза, не позволяют найти СКС, использование которой существенно повысит качество формируемого изображения. Используемые на

данный момент СКС лишь производят взаимообмен чувствительности на разрешающую способность и помехоустойчивость к цветовым артефактам по сравнению с наиболее распространенной СКС Байера.

Передаваемое ТВ камерой изображение может содержать такие артефакты как блюминг, вертикальный смаз, геометрические искажения, вызванные бегущим затвором, неэффективность переноса, геометрический шум и другие. Активное

развитие твердотельных ФП позволило либо полностью устранить артефакты

4

присущие предыдущим поколениям ФП, либо существенно снизить их заметность.

Однако наиболее актуальной задачей является разработка методов компенсации цветовых муаров, вертикального смаза в матричных приборах с зарядовой связью (МПЗС) и разброса параметров выходных устройств ФП.

В настоящее время многие исследователи и научные коллективы занимаются разработкой новых методов повышения качества изображения формируемого ТВ камерой. В решение задач, относящихся к рассматриваемой проблеме, внесли вклад Рыфтин Я.А., Антипин М.В., Быков Р.Е., Гоголь А.А., Полосин Л.Л., Цыцулин А.К., Тимофеев Б.С., Дворкович В.П., Прэтт У., Певзнер Б., Кондат Л., Хиракава К., Пенгвей Х., и др.

Цель работы

Целью работы является разработка и исследование методов одновременного повышения разрешающей способности, чувствительности и помехоустойчивости цветной одноматричной ТВ камеры, за счет использования новых СКС, а также синтез алгоритмов компенсации артефактов, возникающих в процессе формирования изображения.

В соответствии с поставленной целью основными направлениями работы являлись:

1.Разработка модели формирования изображения в цветной одноматричной ТВ камере с произвольной СКС;

2.Разработка методики анализа влияния СКС на чувствительность,

разрешающую способность и помехоустойчивость к цветным артефактам ТВ камеры;

3.Разработка алгоритма синтеза СКС, обеспечивающей повышение чувствительности, разрешающей способности и помехоустойчивости к артефактам цветной ТВ камеры;

4.Анализ артефактов, возникающих в процессе формирования изображения и разработка методов их компенсации;

5.Разработка экспериментальных стендов и моделей. Проведение экспериментальных исследований и компьютерного моделирования, анализ полученных результатов.

Научная новизна работы

1. Разработаны методики анализа, позволяющие рассчитать чувствительность, разрешающую способность и помехоустойчивость к артефактам, для ТВ камер на ФП с произвольной СКС при заданных начальных условиях;

5

2.Предложен алгоритм синтеза, позволяющий найти шаблоны СКС при заданных начальных ограничениях, обеспечивающие повышение чувствительности, разрешающей способности и помехоустойчивости к артефактам цветной ТВ камеры;

3.Синтезированы несколько СКС, использование которых позволяет одновременно повысить чувствительность, разрешающую способность и помехоустойчивость к цветовым артефактам по сравнению с СКС Байера.

4.Разработан алгоритм компенсации вертикального смаза в цветных МПЗС со строчным переносом, отличающийся тем, что он эффективен при уровнях смаза, достигающих 0,9 от максимальной амплитуды видеосигнала с ФП и индифферентен

кположению яркого объекта в поле зрения ТВ камеры;

5.Предложен метод, позволяющий компенсировать разброс параметров выходных устройств в цветных МПЗС и КМОП-сенсорах с двумя и более

выходными устройствами до уровня существенно ниже порогового контраста зрительного анализатора человека.

Практическая значимость работы

1.Предложенные методики анализа характеристик ТВ камер с произвольной СКС позволяют дать объективную оценку используемым и предлагаемым СКС, а также сформулировать параметры, которым должна удовлетворять СКС для повышения чувствительности, разрешающей способности и помехоустойчивости к артефактам цветной ТВ камеры;

2.Одна из синтезированных СКС позволяет повысить чувствительность ТВ камеры по сравнению с СКС Байера на 4,5 дБ, помехоустойчивость к цветовым артефактам (до –60 дБ), а также добиться разрешающей способности в

горизонтальном и вертикальном направлении сопоставимой с разрешающей способностью черно-белой ТВ камеры.

3.Разработанный алгоритм компенсации вертикального смаза позволил получить время накопления в МПЗС со строчным переносом вплоть до 100 нс, что

обеспечило работоспособность телевизионной камеры в диапазоне рабочих освещенностей от 0,001 лк до 100000 лк без использования автодиафрагмы.

4.Предложенный статистический метод устранения разброса параметров выходных устройств может быть использован при проектировании цветных ТВ камер высокой и сверхвысокой четкости с несколькими выходными устройствами.

Методы исследования

При решении поставленных задач применялись следующая аппаратура и основные методы исследований:

· Анализ и обобщение литературных данных по проектированию цветных одноматричных ТВ камер;