Безруков В.Н. Специфика видеоконтроля изображений

СПЕЦИФИКА ВИДЕОКОНТРОЛЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ
ВЕЩАТЕЛЬНОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ.
д.т.н, проф. Безруков В.Н.
Особенности функционирования и характеристик зрительной системы
человека как получателя видеоинформации должны учитываться не только
при формировании телепродукции, но и при разработки новейшего цифрового телевизионного оборудования. В формируемых, передаваемых и воспроизводимых телевизионных изображениях безусловно должны устраняться
дефекты, затрудняющие видеоконтроль изображений. При разработке алгоритмов для телевизионного оборудования должна учитываться тонкая специфика работы и характеристик зрительной системы человека.
Одной из основных особенностей работы зрения являются обратные
связи, определяющие специфику работы зрительной системы. При этом мозг
человека реализует не только обработку поступающей видеоинформации
(блок обработки видеоинформации), но и обеспечивает управление зрительной системой в режиме видеоконтроля по цепям обратных связей.
На рис. 1 в виде структурной схемы представлена модель, учитывающая
известные особенности функционирования человека.
ПСС
ВВ
ОС
Д
ЭФ
СВП
СП
ПЦД
ИЭ
ЭД и ИА
БОО и К
ИЭ
БУП
БИЭ
БФСУ и ОС
УОП
УДП
УАП
УПП
Рис. 1.
Здесь ОС - оптическая система, содержащая диафрагму Д, элемент фокусировки при проецировании объекта на светочувствительную поверхность
ЭФ, светопровод СП, светочувствительная поверхность СВП, в которой выделены пространственно-цветовой дискретизатор ПЦД и элементы дифференциального и интегрального анализа видеоинформации ЭД и ИА, блок относительной обработки и кодирования видеоинформации БОО и К, блок
уровней памяти БУП, состоящий из уровней оперативной, долговременной,
ассоциативной, подсознательной и т.д. уровней памяти, блок формирования
сигнала управления и обратных связей БФСУ и ОС, блок исполнительных
элементов БИЭ, отдельные исполнительные элементы ИЭ.
При работе зрительной системы имеет место перестройка характеристик
зрительной системы в зависимости от сигналов управления, поступающих на
отдельные элементы представленной структурной схемы. В ОС следует по
крайней мере выделить два элемента с адаптивной перестройкой. Имеют место регулирование размера диафрагмы и автоматическая перестройка плоскости фокусировки зрения в пространство локализации объекта, подвергнутого видеоконтролю. Уровень интегральной адаптации существенно влияет
на чувствительность и эквивалентную протяженность частотных характеристик зрительной системы в пространственном, временном и цветовом направлениях, которая определяет разрешающую способность глаза в соответствующем направлении. Следует отметить обратную тенденцию регулирования этих характеристик. Активизация чувствительности, возникающая с падением средней освещенности контролируемых объектов связана с возрастанием веса интегральной обработки видеоинформации и, следовательно, с
уменьшением разрешающей способности глаза во всех направлениях (пространство, временное и цветовое направления). В режиме динамической
адаптации характеристики зрительной системы не оптимизированы. Различается несколько участков адаптационной перестройки режима работы глаза:
быстровременной (доли и единицы секунд), средневременной (десятки секунд, минуты), долговременной (десятки минут). Процесс адаптации к средней освещенности завершается примерно за 30-40 минут. После завершения
адаптации характеристики зрения оптимизируются для данных конкретных
условий видеоконтроля.
Иллюстрационно на рис.2 показана пространственная частотная характеристика глаза (аргумент - пространственные частоты ωх, ωy в период/градус) и ее сечение при ωy=0, а на рис. 3 - временная частотная характеристика глаза (аргумент Гц).
Практически областью адаптационной перестройки указанных характеристик определяется степень дифференциальной обработки видеоинформации в области низких частот (спад характеристик в НЧ участках диапазона).
С увеличением средней освещенности (уровень адаптации зрения) глубина
спада возрастает с соответствующим относительным падением коэффициентов усиления низкочастотных составляющих – видеоинформационного воздействия. При видеоконтроле в таком случае относительный вес низкочастотных составляющих многомерной информации падает.
Рис. 2. Пространственная частотная характеристика зрительной системы.
Рис. 3. Временная частотная характеристика зрительной системы.
Таким образом, в условиях малых яркостей и освещенностей контролируемых объектов зрительная система работает как многомерный интегратор
видеоинформации. При больших освещенностях (яркостях) объектов проявляются дифференциальные свойства зрения человека. Следует учитывать
данную специфику, работы зрения и в пространстве кадра и в межкадровом и
в цветовом направлениях.
Для зрительной системы весьма специфичными по действию на наблюдателя являются указанные выше эффекты дифференциального видеоконтроля. Классическими экспериментами (Брок и Зульцер, 1902 г.) было доказано, что зрительная система имеет различные характеристики при воспри-
ятии экранов с постоянной и кратковременной освещенностью. Оказалось,
что дифференциальные эффекты проявляются только при освещенностях
больших 30 лк. За счет дифференциальных свойств восприятия экраны с
кратковременной (≈0,05 сек) экспозицией оценивались наблюдателями приблизительно в 5 раз с большей освещенностью по отношению к фактической
(экран с постоянной освещенностью).
Итак чередования длительных изображений слабоосвещенных сцен с
кратковременными засветками вызывают дискомфорт. Рассмотрим причины
данного явления. При слабых освещенностях возрастает чувствительность
анализирующих элементов глаза и по цепи обратной связи успевает осуществиться регулировка (увеличения) размера зрачка (диафрагмы). Поэтому
кратковременная вспышка освещенности экрана в данном случае является
слепящей.
Важными элементами функционирования зрительной системы являются
регулировки размера зрачка, формы хрусталика, прерывания светового потока, движения глаз, тремор, адаптационные явления, наличие области ясного
видения. Необходимо учитывать и наличие в зрительной системе пространственной и цветовой дискретизации входного изображения светочувствительными элементами. При этом обеспечивается полное подавление искажений дискретизации за счет выбора определенного распределения, определенной чувствительности и размера распределенных светочувствительных элементов в пределах области “ясного видения” и периферии.
Чувствительность элемента дискретизации определяется не только временем засветки, но и размерами, которые тоже могут регулироваться. Поэтому для наблюдения слабоосвещенных сцен характерно сочетания увеличения
чувствительности и уменьшения разрешающей способности зрения и в пространстве кадра и в межкадровом и в цветовом направлениях.
Дифференциальная специфика восприятия цвета выявляется при контрастировании дополнительными цветами. При этом тремор определяет также контрастирование границ и мелких деталей при наблюдении объектов
данного цвета по отношению, например, к фону с дополнительным цветом.
Соответственно дискомфорт у телезрителя может возникать при кратковременных изменениях цвета изображения от воспроизводимого к дополнительному.
Дифференциальный механизм работы здесь тот же: при освещенностях
заданным цветом возрастает чувствительность элементов к дополнительному.
К элементам диференциальной обработки видеоинформации могут быть
отнесены тремор, сканирование изображений, прерывания светового потока,
движения глаз и др. Спецификой здесь является относительное контрастирование контролируемых объектов за счет дискретных смещений области “ясного видения” на смежные участки контролируемой сцены. При этом имеют
место последовательные релаксационные изменения контролируемой видео-
информации с многократным возвращением на контролируемый объект. Это
обеспечивает оптимизацию характеристик дифференциального восприятия,
свойственных зрительной системе человека.
Элементами интегральной обработки видеоинформации являются прослеживания движущихся объектов, регулирования размеров светочувствительного элемента, фиксации глаз, области “ясного видения” и др.
Управление зрительной системы реализуется на основе накопления и
классификации информационных характеристик объектов в блоке уровней
памяти. Накопленная человеком видеоинформация позволяет адаптационно
оптимизировать характеристики зрительной системы, исключает восприятие
неизменной или узнаваемой видеоинформации. С другой стороны изменениями являются и прерывания накопленной видеоинформации. По цепям обратных связей стимулируется дифференциальный эффект “подчеркивания
ожидаемой” видеоинформации в случаях ее относительно продолжительного
отсутствия.
К сожалению объем данной работы не позволяет рассмотреть в полной
мере специфику функционирования зрительной системы и полученные при
проведении исследований в лаборатории “Цифровой обработки телевизионных сигналов” научно-исследовательской части МТУСИ частные результаты,
которые должны учитываться при производстве новых образцов телевизионного оборудования.