Реферат Усложнение структуры кодирующих светофильтров как борьба с цветовыми искажениями.

РЕФЕРАТ
Тема: Усложнение структуры кодирующих светофильтров как борьба с
цветовыми искажениями.
СОДЕРЖАНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ СОКРАЩЕНИЙ…………….........4
ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………...……………..5
1. Модель формирования цветного изображения…...………………8
2. Структура кодирующих светофильтров………………........…….9
3. Усложнение структуры кодирующих светофильтров как
борьба с цветовыми искажениями………………………………………...12
3.1. Структура астраленов...………………………....………………..12
3.2. Получение астраленов……………………….....………………...15
ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………..........…….………….......17
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ……….......…........18
2
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ СОКРАЩЕНИЙ
ФП
СКС
ТВ
РС
ФНПЧ
фото-приемник
структура кодирующего светофильтра
телевизионных
разрешающую способность
фильтр нижних пространственных частот
3
ВВЕДЕНИЕ
В данной работе рассматривается способ устранения цветовых
искажений за счет усложнения структуры кодирующих светофильтров.
Для того чтобы наилучшим образом понять принцип данного метода
разберемся с таким явлением как искажение цветности в ТВ системах.
Искажение цвета — искажение всего конечного изображения или его
части, характеризующееся появлением неестественных или
непредвиденных оттенков или уровней насыщенности. [1] Цветовые
ощущения так же дискретны, как и восприятие яркости, и оцениваются
числом порогов цветоразличимости. [2]
Рис. 1 Пороги различимости на графике МКО (для наглядности
эллипсы изображены с десятикратным увеличением)
На рис. 1 показана зависимость порогов различимости как от
насыщенности цвета (расстояние от точки, например,
равноэнергетического белого цвета с координатами x=y=1/3), так и от
цветового тона (определяемого углом между двумя проведенными из
точки, например, равноэнергетического белого цвета лучами, один из
которых проходит через точку красного а другой - через точку с
определяемым цветовым тоном). Полуоси эллипсов пропорциональны
порогам цветоразличимости .[3]
В данной работе рассмотрим цветовые артефакты, вызванные
применением СКС. Её использование можно трактовать как
4
дискретизацию оптического сигнала в плоскости ФП на несколько
спектральных диапазонов.
Если верхняя пространственная частота входного оптического
изображения в два раза меньше частоты дискретизации спектральных
каналов СКС, то возможно восстановить изображение в каждом канале без
наложения спектров. При съемке реальных изображений верхняя
пространственная частота не ограничена, и как следствие, существует
большая вероятность наложения спектров.
Рис.2 Наложение спектра при дискретизации
Наложение спектров при работе с многосигнальными ФП
проявляется в виде цветовых артефактов, которые выражаются в виде
цветных муаров, ложных цветов и др..
Рис.3 Цветовые артефакты, вызванные наложением спектра
5
Исходя из того, что качество изображения, формируемого цветной
ТВ камерой, в наибольшей степени зависит от свойств СКС далее
рассмотрим её устройство и виды. [4]
6
1. Модель формирования цветного изображения
В настоящее время в цветных ТВ камерах цветоделение светового
потока на несколько ФП практически не используется. В тоже время
использование отдельного ФП для каждого спектрального диапазона
широко используется в спектрозональных системах .
На рис. 4 представлена общая модель формирования видеосигналов
в одноматричной ТВ камере:
Рис. 4 Модель формирования цветного изображения
Блок 1 – оптическая система, 2 –ФНПЧ, который устанавливается
для уменьшения эффекта цветового муара, 3 – СКС (на рисунке
изображена СКС Байера), 4 – монохромный ФП, 5 – узел предварительной
обработки изображения (количество и вид операций в нем определяется
задачами, решаемыми ТВ камерой), 6 – узел восстановления
видеосигналов полноцветного изображения (алгоритм интерполяции), 7 –
узел постобработки видеосигналов (количество и вид операций также
определяется задачами, решаемыми ТВ камерой).[4]
7
2. Структура кодирующих светофильтров
В настоящее время подавляющее большинство телевизионных камер
использует один фото-приемник с нанесенной на его поверхность
структурой кодирующих светофильтров, под которой понимается
периодически повторяющийся шаблон светофильтров.
Основной задачей СКС является выделение из оптического
изображения спектральных (по длинам волн) диапазонов (R, G, B, Ye, Cy,
Mg, White и др.), количество которых достаточно для формирования
полноцветного
изображения.
Кроме
того,
СКС
производит
пространственную дискретизацию выделенных спектральных каналов в
фоточувствительной плоскости ФП так, что каждый пиксел чувствителен
только к одному цвету. Из полученного ФП цветоделенных изображений
необходимо сформировать полноцветное изображение, согласованное с
цветовым пространством ТВ-системы (обычно RGB). Указанная процедура
в различных источниках называется демозаикизацией, интерполяцией или
восстановлением полноцветного изображения.[5]
Все СКС можно классифицировать по следующим признакам:
 По способу кодирования цветовой информации (частотный СКС рис.
5 № 1, фазово-частотный, пространственный метод СКС № 2-15);
 По размеру шаблона СКС (2×2, 2×3, 3×3 и т.д.);
 По типу используемых в СКС цветов (основные СКС № 2, 8, 10, 15,
дополнительные СКС № 3, с белыми пикселами СКС № 5, 6, 9, 12,
смешанные СКС № 4, 5 ,12, прочие спектральные диапазоны СКС №11,
14);
 По характеру регулярности шаблона (регулярная структура СКС №
2-7, 9-14; псевдо-периодическая структура СКС № 8, 15);
 По количеству белых пикселей (0%, 25%, 50%).
Большинство известных СКС периодические, т. е. вся СКС
представляет собой периодическое повторение элементарного шаблона
СКС минимально возможного размера. Шаблоны СКС описывают
дискретизацию оптического сигнала по пространству в плоскости ФП. Как
правило, они имеют прямоугольную или квадратную форму. [4]
8
Рис.5 Различные структуры СКС
Для математического описания шаблона удобно использовать
матрицу, элементы которой описывают в системе RGB спектральные
диапазоны, к которым чувствительны отдельные пикселы. Так, шаблон
СКС Байера в матричной форме имеет следующий вид:
Применив к матрице СКС Байера двумерное дискретное
преобразование Фурье DFT, получим пространственный спектр шаблона:
SBayer = 2𝐷𝐹𝑇 [
𝑅
𝐺
𝐹
𝐺
]=[ 𝐿
𝐹𝐶1
𝐵
𝐹𝐶1
]=
𝐹𝐶2
(𝐹 + 2𝐹𝐺 + 𝐹𝐵 )/4
(𝐹𝑅 − 𝐹𝐵 )/2
=[ 𝑅
],
(𝐹𝑅 − 𝐹𝐵 )/2
(𝐹𝑅 − 2𝐹𝐺 + 𝐹𝐵 )/4
где 𝐹𝐿 = (𝐹𝑅 + 2𝐹𝐺 + 𝐹𝐵 )/4 – пространственный спектр мультиплексной
компоненты яркости;
𝐹𝐶1 = (𝐹𝑅 − 𝐹𝐵 )/2, 𝐹𝐶2 = (𝐹𝑅 − 2𝐹𝐺 + 𝐹𝐵 )/4 - пространственные спектры
мультиплексных компонент цветности C1 и C2;
9
FR , FG , FB – пространственные спектры входного изображения в
каналах R, G, B соответственно.
По SСКС можно судить о количестве и расположении мультиплексных
компонент в спектральной области, об амплитуде (интенсивности) и
ширине спектра мультиплексных компонент, поскольку известны весовые
коэффициенты сложения основных цветов. Таким образом, матрицу
частотной структуры шаблона СКС (Sскс) удобно использовать для
анализа параметров СКС.
Пространственные спектры мультиплексных компонент и основных
каналов взаимосвязаны через матрицу мультиплексирования T и матрицу
восстановления D :
Исходя из трехмерной теории цвета, количество мультиплексных
компонент должно быть не менее трех (в том числе одна компонента
яркости и минимум две компоненты цветности).
Спектральные свойства СКС можно оценить визуально по
пространственному спектру изображения, преобразованного данным
шаблоном. Рассмотрим пространственный спектр изображения при
использовании СКС Байера:
Рис.6 Пространственный спектр изображения
10
Матрица частотной структуры показывает, на какой
пространственной частоте располагается центр той или иной
мультиплексной компоненты. Центр спектра пространственных частот
компоненты яркости всегда находится в точке (0, 0), что соответствует
крайнему верхнему левому элементу матрицы частотной структуры.
Расположение же центров спектров пространственных частот компонент
цветности зависит от спектральных свойств СКС. Кроме того, по спектру
изображения легко определить наличие наложения спектров
мультиплексных компонент (на рис. 6 показано пунктирными овалами),
которое, как правило, если не использовать адаптивных алгоритмов,
приводит к значительным цветовым артефактам . Причем чем больше
площадь наложения спектров, тем сильнее проявляются цветовые
артефакты.
3. Усложнение структуры кодирующих светофильтров
как борьба с цветовыми искажениями
3.1 Алгоритм восстановления
Алгоритм восстановления полноцветного изображения, может
являться эффективным способом повышения помехоустойчивости
телекамеры к цветовым артефактам. Используется для восстановления
полноцветного изображения, после дискретизации.
Рассмотрим подробно основные этапы работы алгоритма на примере
СКС Байера.
1. Производится демодуляция одной компоненты цветности C1 на нулевую пространственную частоту
Демодуляция мультиплексной компоненты цветности 𝐶1ℎ на частоте
(0,5π;0).
11
На рисунке представлено преобразование сигнала в процессе работы
алгоритма.
Рис.7 Преобразование сигнала изображения полсе дискретизации СКС в
частотной области процессе работы алгоритма восстановления.
2. Осуществляется выделение данной компоненты низкочастотным
фильтром
3. Демодуляция мультиплексной компоненты цветности 𝐶1𝑣 на частоте
(0; 0,5π).
12
4. Выделение мультиплексной компоненты низкочастотным фильтром:
5. Демодуляция мультиплексной компоненты цветности C2 на частоте
(0,5π; 0,5π).
6. Выделение мультиплексной компоненты цветности C2 низкочастотным
фильтром:
7. Выделение компоненты яркости L
8. Формирование полноцветного изображения:
Данный алгоритм имеет высокую эффективность, поскольку
превосходит по качеству восстановленного изображения многие известные
алгоритмы интерполяции для СКС Байера. Кроме того, данный алгоритм
достаточно прост в реализации и может быть применен в телевизионных
камерах, имеющих высокую скорость генерации цифровых видеоданных.
Алгоритм использует исключительно линейные операции и легко
поддается распараллеливанию.
13
3.2
Требования, предъявляемые к структурам
кодирующих светофильтров для повышения
разрешения и чувствительности.
Данные требования необходимо применять последовательно.
1. Выбор набора цветов СКС.
Выбор цветов осуществляется исходя из следующих правил:
– для повышения чувствительности ТВ-камеры СКС должна содержать
панхроматические (белые) пиксели;
– при проектировании СКС необходимо использовать минимально
возможное достаточное количество цветов, поскольку количество
вариантов шаблонов определяется следующем образом:
где K – количество различных весовых коэффициентов r, g, b;
N –количество элементов в шаблоне СКС.
2. Выбор размера шаблона и расположения мультиплексных
компонент.
Размеры шаблонов - 2×3, 2×4,4×4;
Требования для выбора расположения мультиплексных компонент:
– пространственные частоты, соответствующие максимумам компонент
яркости и цветности, должны располагаться на расстоянии
– пространственные частоты, соответствующие максимумам различных
компонент цветности, должны располагаться на расстоянии
;
– мультиплексные компоненты могут располагаться только с шагом 0.25
по каждой частотной оси;
14
– для снижения вероятности появления цветовых искажений на
восстановленном изображении необходимо использовать дополнительные
линейно связанные компоненты цветности.
3. Наличие линейно зависимых компонент цветности.
Некоторые мультиплексные компоненты цветности должны быть
линейно связаны . Использование линейной связи определенных
компонент цветности может существенно снизить эффект наложения
спектров. Можно предположить, что с ростом количества линейно
связанных компонент цветности эффективность алгоритмов
восстановления повышается.[5]
15
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Подходя к данному вопросу с точки зрения общей радиотехники
можно выделить триаду параметров – разрешающая способность,
чувствительность, помехоустойчивость к артефактам. Используемая в ТВ
камере СКС в значительной степени влияет на все три параметра,
определяющих качество формируемого изображения. Крупные фирмыпроизводители предлагают собственные СКС. Однако 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.
Сложность синтеза СКС также обусловлена тем, что невозможно
синтезировать оптимальную СКС для реальных изображений. В реальных
изображениях информация непрерывно меняется, и для определенного
сюжета, одна СКС может показывать лучшие результаты, а для другого
сюжета другая СКС.
16
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. АКАДЕМИК
URL: https://dic.academic.ru/dic.nsf/eng_rus/109820/искажение
2. Телевидение: Учебник для вузов/В. Е. Джакония, А. А. Гоголь,
Я. В. Друзин и др.; Под ред. В. Е. Джаконии, 2002. — 640 с.
3. Лабораторная работа № 62 ИССЛЕДОВАНИЕ ЦВЕТОВОЙ
ПОРОГОВОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ЗРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ/
к.т.н., доц. Власюк И.В. к.т.н., проф. Попов О.Б. Поташников А.М.
URL : http://tvs-mtuci.ru/attachments/article/6/62.pdf
4. ДИССЕРТАЦИЯ: МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ИЗОБРАЖЕНИЯ,
ФОРМИРУЕМОГО ЦВЕТНЫМИ ОДНОМАТРИЧНЫМИ
ТЕЛЕВИЗИОННЫМИ КАМЕРАМИ/ Баранов Павел Сергеевич
URL: https://etu.ru/assets/files/nauka/dissertacii/2014/Dissertaciya-Baranov-P.S..pdf
5. Структура кодирующих светофильтров для одновременного повышения
разрешающей способности и чувствительности телевизионной камеры/ П.
С. Баранов/Санкт-Петербургский государственный электротехнический
университет "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина)
URL: https://cyberleninka.ru/article/n/struktura-kodiruyuschih-svetofiltrovdlya-odnovremennogo-povysheniya-razreshayuschey-sposobnosti-ichuvstvitelnosti-televizionnoy
17