04 октября 2012
Функция «оконтуривание» положительные и отрицательные моменты применения
Вы достаёте телевизионную камеру из заводской упаковки с намерением измерить её основные технические характеристики: чувствительность, отношение сигнал/шум, разрешающую способность. В соответствии с рекомендациями и методиками проведения измерений, изложенными, например в [Л1], включаете ТВ камеру, по изображению на мониторе вписываете тестовую таблицу ТИТ 0249 в формат монитора и, о ужас, что вы видите. Яркостные переходы изображения таблицы и обратно изобилуют яркими окантовками, а клинья оценки горизонтальной чёткости, просто «звенят» и «муарят». Однако если ТВ камеру вы направляете на обычные реальные сцены, то на мониторе получаете изображение очень хорошего качества. В чём же дело?
А дело, собственно, в функции , которой оснащены все современные телевизионные камеры, используемые в телевидении систем безопасности. Оконтуривание предназначено для компенсации того ослабления верхних пространственных частот спектра изображения, которое возникает из-за ограничения разрешающей способности оптических и электронно-оптических систем при преобразовании свет—сигнал, в частности из-за конечных размеров пикселя ПЗС сенсора.
Реально работу функции оконтуривание можно ощутить, если войти в меню настройки камеры, а за тем в подменю «ENHANCE» - улучшение качества изображения. Войдя в подменю увидим, что заводская установка функции (CONTOUR) установлена в нулевом положении. Изображение тест таблицы, отснятое с экрана монитора фотоаппаратом высокого разрешения представлено на фото 1. Судя по «окантовкам» на изображении тестовой таблицы, можно предположить, что в заводских установках с уровнем подчёркивания контуров, явно «переборщили».
Фото 1 Изображение таблицы ТИТ 0249 - «CONTOUR» = 0
Попробуем определить пределы корректировки, заложенные в данную модель телевизионной камеры и оценим влияние на качество изображения. Установим функцию «оконтуривание» в минимальное положение («CONTOUR» = -15). В этом положении, смотри фото 2, однозначно видно, что воспроизводимое изображение таблицы, скажем так, стало «мягче», исчезли окантовки, муары, менее заметны стали шумы. Однако при этом уровень контраста мелкоструктурных деталей изображения существенно снизился. Действительно, на вертикальном клине оценки чёткости изображения по горизонтали в области (400 ÷ 500) телевизионных линий (ТВЛ) исчез «муар», а разрешение на отметке 500 ТВЛ, ввиду снижения контраста фиксируется наблюдателем неуверенно.
Фото 2 Изображение таблицы ТИТ 0249 - «CONTOUR» = -15
Установим функцию «оконтуривание» в максимальное положение («CONTOUR» = +15). В этом положении, смотри фото 3, однозначно видно, что воспроизводимое изображение таблицы, скажем так, стало просто «жёстким», уровень окантовок и муары настолько высоки по контрасту, что воспринимать изображение стало неприятно. На реальной картине стали существенно заметнее шумы и это стало даже заметно по фотографии. Уровень контраста мелкоструктурных деталей изображения существенно вырос, но это не повысило возможность осмысленного восприятия малоразмерных объектов.
Фото 3 Изображение таблицы ТИТ 0249 - «CONTOUR» = +15
Попробуем по изображению таблицы, что называется «на глазок», установить оптимальный уровень коррекции из условия соблюдения баланса между повышением чёткости и минимальной заметности «окантовок» и «муаров». Субъективно оценивая качество картинки на мониторе тремя субъектами, мы остановились на положении («CONTOUR» = -11). Изображение представлено на фото 4. В области (400 ÷ 500) ТВЛ появился лёгкий муар, но при этом существенно возросла контрастность вертикального клина измерения чёткости по горизонтали. Разрешение 500 ТВЛ различается уверенно как по изображению клина, так и по групповой чёткости.
Фото 4 Изображение таблицы ТИТ 0249 - «CONTOUR» = -11
Казалось бы, вот оптимальный уровень коррекции! Почему же в заводских установках уровень коррекции выбран гораздо выше? Это следует из исследования статистических свойств исходных изображений. Если тестовая таблица ТИТ0249 содержит элементы оценки разрешающей способности со 100% контрастом, то в реальных сценах у объектов, изображения которых, условно, в таких же размерах воспроизводятся видеотрактом, контрасты не превышают (10 ÷ 15)%. Да и яркостные переходы из «чёрного» в «белое» со 100% контрастом в природе встречаются очень редко. Разве что весной – островки снега на чёрной пахоте. Вот почему реальные сюжеты воспроизводятся исследуемой ТВ камерой при выбранных заводских установках («CONTOUR» = 0) с высоким качеством.
И так эффективность использования функции «оконтуривание» на практике предполагает, что инстолятор обладает хотя бы поверхностными теоретическими знаниями в этой области. Оконтуривание это один из видов обработки изображений с помощью электронных средств, позволяющих визуально (субъективно) повысить чёткость воспроизводимого изображения. В корректорах чёткости электронными средствами достигается уменьшение времени переходов (обострение переходов) от «чёрного» к «белому» и обратно. Это достигается путём исследования корреляционных связей, то есть расхождения в контрасте рядом расположенных точек, после чего попиксельно прибавляется или уменьшается уровень яркости в этих пределах изображения. В конечном итоге, на воспроизводимом изображении это проявляется в подчёркивании контуров объектов и, соответственно, к возрастанию визуальной четкости. Оконтуривание производят по одному или двум направлениям развёртки изображения. Горизонтальное оконтуривание влияет на передачу вертикальных линий, а вертикальное оконтуривание влияет на передачу горизонтальных структур. Оконтуривание по двум направлениям называют двумерным оконтуриванием, в них корректирующий сигнал в вертикальном направлении, создаётся с учётом сигналов с пикселей в соседних строках. При этом учитываются соседние строки в одном кадре при построчной развёртке или двух полях кадра при чересстрочной развёртке.
Простой способ коррекции состоит в том, чтобы вычесть сумму сигналов окрестных элементов, взятых с определенным весом, из сигнала данного элемента и полученный сигнал сложить с исходным. Для этого нужно, прежде всего, иметь одновременно с сигналом корректируемого элемента и сигналы окрестных элементов, а значит, ввести соответствующие задержки, в том числе и строчные. Существует две основные схемы корректоров контуров: дифференциальный корректор и разностный корректор. Поясним работу оконтуривателя на основе дифференциального корректора по горизонтали. На рис. 1 представлены переходные характеристики телевизионной камеры, отражающие переход видеосигнала во времени при воспроизведении чёрно-белого перепада яркости по горизонтали.
Исходный сигнал от уровня «чёрного», при отсутствии коррекции, переходит в уровень «белого» по гладкой кривой (рис. 1, а). Если сформировать сигнал отображающий функцию изменения скорости нарастания переходной характеристики (ускорения), то мы получим корректирующий сигнал. В математике эта операция называется – взятие второй производной от исходной функции. А в теории электрических цепей операцией двойного дифференцирования. Операция двойного дифференцирования, позволяет получить корректирующий сигнал, представленный на рис. 1. Если его сложить с исходным сигналом, то поучим обострение фронта нарастания переходной характеристики. Однако уровень корректирующего сигнала при сложении необходимо выбирать таким, что бы окантовка перехода из «чёрного» в «белое» и обратно, не слишком бросалась в глаза. Например, так как показано на рис. 1, б). Если ввести излишне корректирующий сигнал, то на фронте переходной характеристики появятся выбросы в положительную и отрицательную области напряжений. То есть выше и ниже опорных уровней «белого» и «чёрного» (рис. 1, в). Особенно опасны выбросы сигнала в область ниже уровня «чёрного». Попадая в область синхроимпульсов, они могут приводить к сбою синхронизации приёмных устройств. Это явление наблюдается на высококонтрастных сюжетах, особенно в условиях повышенного уровня помех.
Рис. 1 Переходные характеристики ТВ камеры
На осциллограммах (рис. 2), полученных при выделении строки проходящей через правый край чёрного протяжённого прямоугольника в квадрате Г5 таблицы ТИТ 0249, представлены переходные характеристики, соответствующие изображениям: Фото 1; Фото 2; Фото 3 и Фото 4.
Рис. 2 Осциллограммы переходных характеристики
Очевидно, что при положении функции оконтуривание - «CONTOUR» = +15 выбросы на переходах настолько велики, что попадают в область синхроимпульсов и могут нарушать строчную синхронизацию приёмных устройств.
На практике применяют два варианта получения корректирующего сигнала: двухконтурным RLC – фильтром высоких частот (ФВЧ), рис. 3, а) и в разностном корректоре, выполненным на базе трансверсального фильтра, рис. 3, б). Трансверсальный фильтр обеспечивает строгую линейность фазочастотной характеристики ФВЧ, то есть симметричность (слева и справа) подчеркивания яркостной границы, однако он более критичен в настройке по сравнению с двухконтурным RLC - фильтром, ФЧХ которого на частотах выше fмах значительно отличается от линейной. В обоих случаях необходимо компенсировать задержку ФВЧ путем пропускания основного (низкочастотного) сигнала через линию задержки. Как трансверсальный, так и двухконтурный ФВЧ реализуют операцию вычисления второй производной сигнала в ограниченной полосе частот.
Рис. 3 Структурные схемы получения корректирующего сигнала
Двумерные оконтуриватели реализуются в телевизионных камерах с обработкой видеосигнала на цифровом сигнальном процессоре. Преимущества цифрового метода для реализации этого очевидны. Отпадает необходимость особо заботиться о поддержании стабильной работы строчных и кадровых задержек сигнала — положение отсчетов на разных строках точно определено. Использование кадровой памяти позволяет производить коррекцию действительно по соседним строкам, несмотря на чересстрочное разложение. Упрощается реализация устройства, производящего коррекцию не только по ближайшим окрестным, но и по несколько далее отстоящим элементам.
Выводы;
- Оконтуривание влияет на визуальную чёткость воспроизводимого изображения, однако пользоваться этой функцией следует аккуратно, понимая, что излишняя коррекция приводит к возрастанию шумов возникновению «муаров» и сбоям синхронизации в приёмниках телевизионного сигнала.
- На стационарных телевизионных камерах лучше всего отойти от заводских установок корректора, а выбрать его оптимальное положение непосредственно по воспроизводимому изображению.
- При настройке фокуса телевизионной камеры уровень коррекции контуров необходимо ставить в минимальное положение. В противном случае точность попадания сенсора в фокус будет под вопросом, аналогично ситуации настройки фокуса на прикрытой диафрагме [Л. 2].
- В своей работе "Двуличные функции современных видеокамер" Сизов А.Ю. отмечает ещё один немаловажный фактор – возрастание объёма архивов записи в видеорегистраторах.
- Необходимо помнить, что введение корректирующего сигнала, не отражает реальную действительность распределения яркости в исходном изображении. Эта функция предназначена только для оператора. Видеодетектору движения или аналитическим системам обработки видеоинформации, в таком виде, в каком функция оконтуривания реализована в телевизионных камерах охранного телевидения она вообще не к чему и даже вредна.
Литература:
- Ткаченко А.П., Кириллов В.И., "Техника телевизионных измерений", изд-во "Вышэйшая школа", Минск, 1976.
- Уваров Н.Е. «Практические советы по фокусировке телевизионных камер», «Резонанс». - 2003. - № 1
