Материал: E3W3aEqN89

6

·Методы математического анализа, элементы линейной алгебры, комбинаторики, Фурье (гармонического) анализа;

·Статистические методы анализа и синтеза радиотехнических и ТВ систем;

·Компьютерное моделирование – разработка алгоритмов и моделей в среде

Matlab и Wolfram Mathematica;

·Физические эксперименты.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1.Разработанные методики анализа характеристик ТВ камер на ФП с произвольной СКС позволяют, в отличие от существующих, позволяют производить объективную теоретическую оценку чувствительности, разрешающей способности и помехоустойчивости к артефактам, возникающим в процессе формирования изображения;

2.Предложенный алгоритм синтеза СКС позволяет найти шаблоны СКС, при заданных начальных ограничениях, которые обеспечивают повышение чувствительности, разрешающей способности и помехоустойчивости к артефактам цветной ТВ камеры;

3.Синтезированные в рамках работы СКС по сравнению с СКС Байера позволили существенно повысить чувствительность (от 3,8 дБ до 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.

4.Предложенный алгоритм компенсации вертикального смаза, в отличие от известных, эффективен при уровнях смаза, достигающих 0,9 от максимальной амплитуды видеосигнала с ФП, при произвольном положении яркого объекта в плоскости ФП, а также подходит для применения в цветных ТВ камерах;

5.Предложенный алгоритм компенсации разброса параметров выходных устройств в МПЗС и КМОП-сенсорах в отличие от известных, позволяет компенсировать заметную глазу границу раздела областей цветного ФП с ошибкой,

не превышающий пороговый контраст зрительного анализатора человека без использования калибровки, таблиц преобразования, итерационных методов, что позволяет использовать его в ТВ камере с большим потоком данных.

Апробация работы

Основные положения и научные результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях профессорско- преподавательского состава СПбГЭТУ (ЛЭТИ) в 2012–2014 г. (г. Санкт-Петербург), на научно-технических конференция СПб НТОРЭС в 2011–2014 г. (г. Санкт- Петербург), на международных конференциях "Телевидение: передача и обработка

7

изображений" в 2011–2014 г. (г. Санкт-Петербург), на 22-ой Международной научно- технической конференции «Современное телевидение и радиоэлектроника» в 2014 г. (г. Москва), на школе-семинаре «Инфокоммуникационные технологии в цифровом мире» в 2012–2013 г. (г. Санкт-Петербург).

Реализация и внедрение результатов исследований

Полученные научные и практические результаты использовались при выполнении следующих работ:

·ОКР и серийное производство изделия МОК-001 в ОАО «НИИТ» в интересах ОАО «ЛЗОС»;

·ОКР цветной и черно-белой ТВ камеры высокого разрешения СТЗ-КТА в ОАО «НИИТ»;

·НИР «Разработка и исследование методов динамического управления параметрами цифрового потока видеоданных» СПб ГЭТУ. № 01201152451. Сроки: 2011 – 2014.

·учебном процессе СПбГЭТУ «ЛЭТИ».

Публикации

Основные материалы диссертационной работы опубликованы в 12 печатных научных работах, в числе которых 4 статьи, входящие в Перечень ВАК, одна заявка на изобретение и 7 трудов международных и всероссийских научно-технических конференций.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы. Общий объем диссертации 174 страница, из них 120 страниц текста, включая 10 таблиц, а также 80 рисунков. Список литературы насчитывает 104 наименования и 12 авторских наименований на 11 страницах.

Краткое содержание работы Во введении описывается современное состояние развития техники в области

повышения качества изображения, формируемого цветной одноматричной ТВ камерой. Обосновывается актуальность темы, отмечаются цель и задачи работы, определяются научная новизна и практическая значимость, перечисляются методы исследования, приводятся сведения об апробации работы и структуре диссертации, сформулированы научные положения и результаты, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены вопросы, касающиеся современных тенденций проектирования ТВ камер. Приведены преимущества использования одноматричной

схемы формирования цветного изображения за счет использования различных

8

структур кодирующих светофильтров (СКС). Рассматриваются вопросы влияния различных блоков, узлов и элементов цветной ТВ камеры на чувствительность, разрешающую способность и помехоустойчивость к артефактам на изображении, возникающих в процессе его формирования. Показано, что наибольшее влияние на

качество формируемого изображения имеют СКС и алгоритм обработки полученного видеосигнала.

Анализ литературы показал, что минимальный размер пиксела на данный момент составляет 1,1 мкм, что сопоставимо с дифракционным пределом оптической системы. Дальнейшее повышение разрешающей способности за счет уменьшения

размера разлагающего элемента связано с технологическими и теоретическими ограничениями. В то же время использование современных алгоритмов интерполяции для СКС Байера (используется более чем в 90% цветных ТВ камерах) в ТВ камерах как с фильтром нижних пространственных частот (ФНПЧ), так и без него, не позволяют обеспечить разрешающую способность более 0,75 от разрешающей способности черно-белой ТВ камеры.

Использованием альтернативных СКС можно на 15–30% увеличить разрешающую способность и снизить уровень цветовых муаров, что сделано в СКС X-trans фирмой Fujifilm. Такой выигрыш достигается только при использовании ресурсоемких алгоритмов обработки видеосигнала в фоторежиме. В режиме

потокового видео качество изображения значительно уступает качеству изображения, формируемого в ТВ камере с СКС Байера.

Отмечается, что чувствительность цветной ТВ камеры с СКС Байера в 6–10 (на 15–20 дБ) раз меньше, по сравнению с черно-белой. Такие интенсивные методы (не

производящие взаимообмен чувствительности на разрешающую способность по пространству–времени) как повышение квантовой эффективности и снижение уровня шумов близки к теоретическому и технологическому пределам. Новые СКС от фирм Sony, Aptina, Trusence более эффективно используют падающих световой поток, что позволяет повысить чувствительность на 3–4 дБ по сравнению с СКС Байера. Однако при этом происходит снижение разрешающей способности и появление значительных цветовых муаров на передаваемом изображении.

В работе показано, что ни одна из используемых в настоящее время СКС не позволяет одновременно обеспечить значительного выигрыша по чувствительности,

разрешающей способности и помехоустойчивости к цветовым артефактам по сравнению с СКС Байера. Это связано с недостаточной теоретической и методологической базой для анализа свойств СКС, а также с отсутствием алгоритмов их синтеза.

Рассмотрены вопросы возникновения различного рода артефактов на изображении в процессе его передачи. Показано, что наибольшую сложность и актуальность представляют задачи компенсации вертикального смаза в МПЗС,

10

мультиплексных компонент (рисунок 1а) то при восстановлении изображение будет содержать цветовые муары. На рисунке 1б, в представлены оригинальное

изображение и изображение после применения универсального алгоритма для СКС Байера. Для повышения разрешающей способности и уменьшения вероятности

наложения спектров необходимо максимально разнести мультиплексные компоненты друг от друга.

Известных методик, позволяющих в полной мере оценить виляние СКС на качество формируемого ТВ камерой изображения, автору не известно, поэтому в данной главе был произведен их синтез.

Для анализа влияния СКС на интенсивность цветовых муаров, возникающих в процессе формирования изображения, была предложена методика оценки помехоустойчивости ТВ камеры к цветовым артефактам. В качестве тестового изображения использовались зоны Френеля, позволяющие наглядно оценить расположение спектров в частотной области. Далее, согласно используемой СКС, производится дискретизация и интерполяция входного изображения. Цветовые артефакты оцениваются как сумма квадратов цветоразностных сигналов, вычисленных согласно Рекомендации ITU-R BT601-6.

Для анализа влияния СКС на разрешающую способность ТВ камеры была предложена следующая методика. После дискретизации тестового изображения (зоны Френеля) анализируемой СКС, производится восстановление полноцветного изображения. За разрешающую способность в заданном направлении принимается максимальная пространственная частота, на которой не происходит превышение амплитуды цветоразностных сигналов заданного уровня ± . При сравнительном анализе уровень должен быть одинаковым для всех рассматриваемых СКС.

Для оценки влияния СКС на чувствительность ТВ камеры была предложена следующая методика. В соответствии с полученными выражениями рассчитываются относительные уровни видеосигнала в пикселах для цветного ФП (Ucolor_i) и монохромного (UBW):

где Φ’(λ) – нормированная спектральная плотность энергетической освещенности; ν(λ) – кривая видности зрительного анализатора; λmin…λmax – диапазон спектральной чувствительности фотоприемника; θ(λ) – квантовая эффективность монохромного ФП; τi(λ) – коэффициент пропускания i-го кодирующего светофильтра, τIR (λ) – коэффициент пропускания фильтра ИК-отсечки, i – определяет спектральный диапазон (R – красный, G – зеленый, B – синий, Ye – желтый т.д.). На рисунке 2а

представлены относительные уровни сигналов при использовании в качестве