ELIMINATION OF DISTORTIONS WHICH OCCUR WHEN CONVERTING INTERLACED DEFLECTION INTO PROGRESSIVE ONE IN DIGITAL TELEVISION

Full Text

Введение Большое значение для повышения качества изображения имеет преобразование чересстрочной развертки в прогрессивную. Эта проблема особенно актуальна в цифровом телевидении (ТВ) при сокращении пространственной и временной избыточностей из ТВ изображения, но при сложении двух полей для образования единого кадра возникают заметные искажения движущихся объектов в пространстве кадра (эффект «расчески» и «жалюзи»), которые, к сожалению, не всегда устранимы (см. рис. 1-2). При движении объекта, черного квадрата на белом фоне, по вертикали также возникают искажения, но несколько иного характера: квадрат растягивается по вертикали, превращаясь в прямоугольник (искажения формы и содержания - см. рис. 2а). Необходимость такого преобразования связана с повышением эффективности устранения избыточности из ТВ сообщений. 1.JPG Направление движения а) б) Рис. 1. Искажения изображения движущегося объекта при объединении нечетного и четного полей: а) простое совмешение («расческа»), б) с компенсацией искажений Другой способ преобразования заключается в удвоении каждой строки в первом и втором полях. Этот вариант ухудшает четкость изображения по вертикали за счет повторения строк. 2.JPG а) б) Рис. 2. Искажения изображения движущегося объекта при объединении полей: а) простое совмещение («жалюзи»), б) с компенсацией искажений Краткая характеристика искажений, возникающих при преобразовании В литературе описано много вариантов преобразования чересстрочной развертки в построчную, но существенно скомпенсировать названные искажения не удалось [1-5]. Простые способы преобразования развертки во времени не устраняют рассмотренные недостатки. Лучшие результаты дают современные алгоритмы комбинирования строк четных и нечетных полей. Рассмотрим способ преобразования чересстрочной развертки в построчную с дополнительным сокращением цифрового потока. На рис. 3 представлен чересстрочный растр двух кадров: два поля первого кадра и одно поле второго кадра. Точка x (элемент изображения), находится в нечетном поле, ее значение может быть предсказано по соседним элементам - как это делается в преобразователях стандартов [2]. Для этого существуют специальные двухмерные и трехмерные цифровые фильтры - интерполяторы, позволяющие вычислять значения отсчетов изображения произвольной точки в любой момент времени (в том числе между строк, между полей и кадров для чересстрочного изображения). Задача упрощается, так как местонахождение предсказываемых элементов заранее известно. Пусть точка х (элемент) расположена на третьей строке нечетного поля в первом кадре (см. рис. 3) между второй и четвертой строками четного поля. Ее значение может быть предсказано по значениям элементов 2 - 2′, расположенных по вертикали (усреднение в пространстве) и 1 - 1′ - по горизонтали (усреднение во времени). Рис. 3. Принцип преобразования чересстрочного растра в построчный x(1) - местонахождение элемента в нечетном поле первого кадра; x′ - предполагаемое, рассчитываемое местонахождение в первом кадре построчного растра; x²(1′) - расположение элемента в нечетном поле второго кадра; Δ2 = 2′ - 2 - межстрочная (временная) разность элементов 2 и 2′ в четном поле первого кадра; Δ1 = 1′ - 1 - межкадровая (временная) разность нечетных полей первого и второго кадров При неподвижном изображении х ее значение предсказывается по группе окружающих ее элементов. Но при передаче подвижных изображений чувствительность глаза к восприятию мелких деталей в изображении резко падает и нет необходимости передавать всю эту информацию, так как глазом она не воспринимается. Тем более, что при последующих преобразованиях (ДИКМ и ДКП) она устраняется из цифрового потока. Устраняя мелкие детали из подвижного изображения в одном из полей, мы устраняем зубчатость границ между вертикальными перепадами яркостей при чересстрочном разложении. Таким образом, основной недостаток чересстрочной развертки - раздвоение вертикальных границ и линий - устраняется вместе с избыточной информацией. Значение точки x (x¢) будем определять по значениям соседних элементов 1 - 1′ и 2 - 2′ . В качестве значения элемента х возьмем значение элемента 1′, если разность значений элементов Δ1 = 1′ - 1 меньше или равна разности элементов Δ2 = 2′ - 2, то есть Δ1 ≤ Δ2. В противном случае берем среднее арифметическое значений 2′′ = (2+2′)/2, см. рис. 3. Отметим, что принципиально важно в качестве нового элемента x в четном поле на рис. 3 брать значение элемента 1′ в будущем нечетном поле, а не значение элемента 1 в предыдущем (прошлом) нечетном поле настоящего кадра. В противном случае компенсации искажений не будет. Построение принципиальной схемы должно удовлетворять этому условию. При указанном выборе значений сглаживается зубчатость вертикальных границ при движении объектов по горизонтали. Также устраняется временная избыточность между нечетным и четным полями в совмещенном кадре при передаче движущихся объектов, тем не менее, пространственная разность остается. Таким образом, в результате преобразования растров устраняется и значительная доля избыточности подвижных изображений, что приводит к дополнительному сокращению цифрового потока. При этом заметного ухудшения качества изображений не происходит по причине более низкой разрешающей способности зрительной системы человека при восприятии мелких деталей движущихся объектов. Можно сказать, что этот способ преобразования разверток устраняет недостаток, присущий чересстрочной развертке при передаче движущихся вертикальных границ, полностью компенсируя зубчатость вертикальных границ (эффект «расчески»). При неподвижных изображениях рассматриваемый способ не приводит к заметному сокращению цифрового потока, но этого и не требуется, так как последующая ДИКМ является наиболее эффективной именно для данного вида изображений. Мелкоструктурные подвижные изображения, прошедшие цифровую обработку ДИКМ, практически сохраняют исходный объем информации, а, следовательно, затрудняют передачу такого большого объема информации по каналу связи. Рассмотренный способ преобразования растров частично решает и эту проблему. Важным критерием любого преобразования является сохранение качества изображения для неподвижных или медленно движущихся объектов. В прикладном телевидении в зависимости от специфики решаемых задач проблема сохранения высокого качества изображения может иметь одинаковое значение, как для подвижных, так и для неподвижных изображений. Особенно это важно при дефектоскопии, когда нужно тщательно рассмотреть моменты разрушения движущихся объектов. В охранном ТВ очень часто необходимо опознать с большой вероятностью движущийся объект. При этом запись наблюдаемых объектов ведется на жесткий диск персонального компьютера. При воспроизведении в режиме «стоп-кадра» изображение становится неподвижным и может быть тщательно исследовано. Здесь, как уже было отмечено, при воспроизведении подвижных изображений хотя и происходит потеря информации, но в основном избыточной, незаметной визуально для глаз, так как эта потеря происходит только в одном поле кадра, другое поле воспроизводиться без изменений. Но, как показывает эксперимент, в силу большой взаимной корреляции между элементами наш глаз потерю информации в одном поле в целом не замечает и воспринимает изображение «стоп-кадра» полноценным [4-5; 11-12]. Рассмотрим более подробно воспроизведение неподвижных изображений, содержащих в своем составе черно-белые тонкие горизонтальные, вертикальные и наклонные линии. При воспроизведении тонких горизонтальных, наклонных и вертикальных линий, если Δ1 = 1′ - 1 = 0, Δ2 = 2′ - 2 = 0, то вставляем значение элемента 1′ из нечетного поля, следующего за первым кадром поля (см. рис. 3). Если число N тонких горизонтальных линий меньше числа строк Z, то Δ1 = 1′ - 1 = 0, а Δ2 может быть отличным от нуля: Δ2 = 2′ - 2 ≠ 0, то в точку x вставляется значение элемента 1′. Хотя разностные сигналы Δ1 и Δ2 могут быть разных знаков, но сравнивающее устройство должно реагировать только на их абсолютные значения. Поэтому в составе блоков вычитания необходимо включить преобразователи двухполярных сигналов в однополярные (детекторы). Здесь при преобразовании разверток важно устранить не только искажение, но и обеспечить дополнительное сокращение цифрового потока при кадровом кодировании по сравнению с полевым. В цифровом ТВ на смену чересстрочной развертке придет построчная, так как она обеспечивает более высокое качество изображения Таким образом, рассматриваемый способ преобразования разверток не вносит искажений при передаче неподвижных изображений любой формы. Структурная схема преобразователя Структурная схема преобразования чересстрочной развертки в построчную представлена на рис. 4, принцип ее работы иллюстрирует рис. 3. Кратко рассмотрим назначение и работу отдельных узлов схемы. Для устранения указанных искажений обработка сигналов нечетных и четных полей ведется раздельно. С этой целью на входе схемы цифровой видеосигнал с чересстрочной разверткой разделяется по двум каналам: сначала поступают нечетные строки первого поля, потом четные строки второго поля и т.д. На выходе схемы получаем сигнал с построчной разверткой, в которой все строки следуют последовательно одна за другой: 1, 2, 3… С помощью электронного коммутатора ЭК происходит разделение сигналов нечетных и четных полей. Сигналы нечетных полей задерживаются на время одного кадра τ = Тк в блоке 3 и в вычитающем устройстве 4 определяется разность Δ1 = 1′ - 1 для определения значения элемента x′ во втором поле первого кадра (межкадровая разность) - см. рис. 3. В нижнем канале четных полей происходит определение значений Δ2 = 2′ - 2 и 2, 2²= (2 + 2¢)/2 с помощью устройств 7 (линия задержки на время одной строки Тс), 8, 9 (определение среднего арифметического значения точек 2 и 2′) и 10 (определение Δ2 = 2′ - 2). В устройстве сравнения сигналов (УСС, 16 блок) вырабатывается сигнал для управления работой ЭК 6. При Δ1 ≤ Δ2 вырабатывается сигнал (импульс) для подключения к выходу ЭК 6 сигнала 1′ от нечетного поля. Если же наоборот Δ1 > Δ2 на выход схемы ЭК 6 поступает сигнал четного поля с элементов 2 и 2′: x′ = (2 + 2′)/2. В сумматор 19 сигналы четных и нечетных полей поступают поочередно с частотой строк 1, 2, 3, 4, 5… Линии задержки 3, 5, 7, 12, 14, 17, 18 обеспечивают точное совмещение элементов 1, 1′, 2 и 2′ в точке x′ - новом значении элемента в построчном растре третьей строки. Штрихи в обозначении элемента x (x′ и x²) обозначают его задержку на время τ = Тк и τ = Тс/2. При этом его абсолютное значение не изменяется, а весь сигнал сдвигается на время одного кадра и половины периода строки: τ = Тк + Тс/2. Рис. 4. Структурная схема преобразования чересстрочного растра в построчный (Э1, Э2 …-элемент изображения - пиксель) Рассмотренный способ преобразования сигнала с чересстрочной разверткой в построчную может найти применение в системах сжатия цифровой информации в прикладном и вещательном телевидении. Способ достаточно простой, легко реализуется на стандартных элементах и не изменяет алгоритма работы систем передачи цифровой информации. Рассмотрим преобразование разверток при передаче подвижных изображений в соответствии с алгоритмом преобразования (см. рис. 3-4). Пусть передается темный квадрат на светлом фоне (см. рис. 1-2). При движении объекта по горизонтали (см. рис. 1) вертикальные границы объекта «разъезжаются» (эффект «расчески») в плоскости объединенного кадра, в котором четное поле сдвинуто вправо относительно нечетного поля. Величина сдвига ΔS пропорциональна скорости v его движения: ΔS = v Tполя. Квадрат преобразуется в прямоугольник. Предлагаемый способ преобразования разверток (см. рис. 3) полностью устраняет эти искажения. Действительно, пусть точка (элемент изображения) x′ расположена в границах квадрата четного поля в конце третьей строки совмещенного изображения (см. рис. 1а). Как уже отмечалось, ее значение можно определить по значениям соседних элементов: - пространственная разность соседних элементов по вертикали Δ2 = 2 - 2′ = 0, см. рис. 1; 3; - временная разность между соседними элементами Δ1 = 1 - 1′ = 0, так как за время поля точка x дополнительно получит сдвиг на ΔS, и ее значение станет равным 1′ в точке x′′ следующего кадра (N + 1), см. рис. 3. Таким образом, вертикальные правые границы совмещенного следующего по времени (N + 1) кадра, состоящего из четных полей N кадра и нечетных полей (N + 1) кадра совпадут. Левые границы квадрата также совпадут по вышеприведенным соображениям: точка x0 расположена в нечетном поле в начале третьей строки. Здесь разность по вертикали 2 - 2′ = 0, временная разность 1 - 1′ ≠ 0, см. рис. 1, 3. В соответствии с принятыми условиями преобразования, значение x0 станет равным 0. Искажения будут полностью устранены, а вертикальные границы квадратов будут совмещены (см. рис. 1, 3). Теперь рассмотрим искажения, возникающие при движении квадрата по вертикали (см. рис. 2). В этом случае при объединении полей верхняя граница квадрата четного поля будет располагаться выше на ΔH верхней границы нечетного поля. При простом совмещении полей, квадрат превращается в прямоугольник различной плотности. В середине прямоугольника четные и нечетные строки перемежаются во времени, но несут информацию о разных точках пространства, а вверху и внизу наблюдаются тонкие горизонтальные линии, то есть произошло прореживание черного прямоугольника светлыми горизонтальными полосами толщиной в один элемент. Здесь искажения более заметны, чем в предыдущем случае. Пусть точка x расположена на нечетной строке n + 7, где n = 2, 4, 6… При преобразовании ее новое значение x1 будет предсказано в соответствии с принятыми ранее условиями: пространственная разность по вертикали Δпр = 2 - 2′ = 0, временная разность (Δt = Tполя) Δвр = 1 - 1′ ≠ 0, так как за время прихода последующего нечетного поля, черная линия строки n + 7 сдвинется вверх на ΔH и ее новое значение в (n + 7) строке станет равным нулю, а сама разность 1 - 1′ ≠ 0. Отсюда в объединенном кадре (растре) новое значение будет равно нулю. Нижние границы четного и нечетного полей совпадут (см. рис. 2б). Рассмотрим верхнюю часть прямоугольника. Следует помнить, что поиск новых значений элементов следует проводить только на строках нечетного поля совмещенного кадра. Четные поля передаются без каких-либо изменений. Пусть в верхней части квадрата в нечетном поле совмещенного кадра имеем точку x. Определим ее новое при совмещении полей с компенсацией движения значение. Пространственная разность для точки x′ равна Δпр = 2 - 2′ = 0. Временная разность Δвр = 1 - 1′ ≠ 0, так как в следующем кадре нечетного поля на ее место придет черная нечетная строка в соответствии с рис. 3. То есть элемент x, и, следовательно, вся строка принимает значение соседних строк и становится черной. Отметим, что методика определения значений элементов 1 и 1′ следующая. Значение точки x′ (рис. 2а) в нечетном поле следующего кадра будет не равна нулю, так как для нее 2′ - 2 = 0, а 1′ - 1 ≠ 0, см. рис. 3. Произойдет совмещение растров четного и нечетного полей. Таким образом, при перемещении черного квадрата вверх, способ преобразования искажений не дает. Заключение Большое значение для повышения качества изображения имеет повышение частоты вертикальной развертки и преобразование чересстрочной развертки в прогрессивную Эта проблема особенно актуальна в цифровом ТВ при сокращении пространственной и временной избыточностей из ТВ изображения. Если восстановление частоты кадров в приемном устройстве не вызывает затруднений, то при сложении двух полей для образования единого кадра возникают заметные искажения движущихся объектов в пространстве кадра, которые, к сожалению, не всегда устранимы. Необходимость такого преобразования связаны с повышением эффективности устранения избыточности из ТВ сообщений. В литературе описаны способы преобразования чересстрочного разложения в прогрессивное, ни один из них не решает названную проблему. Только по этой причине в стандарте сжатия цифрового потока MPEG-2 для движущихся объектов используется менее эффективное полевое кодирование. Поэтому вопросы преобразования разверток не утратили своей актуальности и в настоящее время. Можно утверждать, что предложенный способ преобразования разверток устраняет недостаток, присущий чересстрочной развертке при передаче движущихся вертикальных границ, полностью компенсируя зубчатость вертикальных границ (эффект «расчески»).

About the authors

Vladimir Grigorjevich Balobanov

Povolzhskiy State University of Telecommunication and Informatics

Email: balobanov33@mail.ru

Andrey Vladimirovich Balobanov

Moscow Technical University of Communications and Informatics

Email: andrey_sam@mail.ru

References

Supplementary files