книги / Микропроцессоры в телевидении

кого быстродействия центральной ЭВМ, управляющей вводом ис­ ходных данных с высоким быстродействием ЗУ.

Объем ЗУ часто может быть недостаточным для непосредст­ венного хранения отсчетов яркости. Для увеличения возможностей по хранению изображений применено устройство, состоящее из кодирующего и декодирующего блоков. В кодирующем блоке по­ лучают дифференциальную импульсно-кодовую модуляцию (ДИКМ) сигнала. В ЗУ записывают значения кодов квантован­ ной на семь уровней ошибки предсказания значения видеосигнала по предыдущему элементу строки. Это позволяет снизить объем ЗУ, необходимый для хранения одного изображения, с восьми до трех битов на отсчет при сохранении качества воспроизведения, соответствующего 256 градациям яркости [50]. В шестиразрядном ЗУ помещаются сигналы двух изображений.

Устройство управления строится на МП и предназначено для координации функционирования дисплейного процессора и управ­ ления средствами, обеспечивающими диалоговый режим работы. Основные операции обработки изображений осуществляются в дисплейном процессоре, в состав которого целесообразно включать два арифметических устройства «быстрое» (БАУ) и «медленное» (МАУ) для реализации двух основных групп алгоритмов обра­ ботки изображений.

К первой группе можно отнести простые алгоритмы, не тре­ бующие использования ЗУ: тождественное преобразование изоб­ ражения (С2, С4); линейное преобразование амплитуды видеосиглала; выделение видеосигналов заданного уровня или попадаю­ щих по уровню в заданный интервал; изменение фазы видеосиг­ нала; квантование изображений; определение оценок градиента яркости или его модуля; повышение резкости изображения нало­ жением выделенных контуров; поточечное преобразование любого вида; сложение или вычитание двух изображений; логические опе­ рации с изображениями; наложение графической и символьной информации; присвоение выбранным участкам ТВ изображения произвольных цветов («раскрашивание»); масштабирование уча­ стков ТВ изображений.

Такие алгоритмы реализуются со скоростью ТВ развертки, па­ раметры подбирают в ходе воспроизведения изображений.

К второй группе относят алгоритмы, связанные с значитель­ ным объемом вычислений. Например, это геометрические преобра­ зования изображений; операции типа свертки и т. п.; сдвиг изоб­ ражения по ортогональным осям; компенсация «перекоса» изоб­ ражения в направлении строк; транспонирование изображения; по­ ворот изображения на заданный угол; произвольное изменение масштаба ТВ изображения; построение гистограммы распределе­ ния уровней видеосигналов; синтез графиков, векторов, символов и т. д.

Структурная схема АУ и его взаимосвязь с ЗУ показаны на рис. 2.21 [50], структурная схема БАУ - - на рис. 2.22. Главными

7 1

Т

Рис. 2.21. Структурная схема АУ

Рис. 2.22. Структурная схема БАУ

Рис. 2.23. Структурная схема блока обработки отдельного изображения С4-

72

элементами БАУ являются АУ обработки отдельных изображе­ ний (рис. 2.23) [50].

Память с произвольным доступом (ППД) поточечно преобра­ зует изображения. Поступающий от декодирующего устройства код видеосигнала используют в качестве адреса ППД, и содержи­ мое соответствующей ячейки ППД поступает на вход. При этом характеристика преобразования (зависимости выходного кода от входного) определяется только содержимым ячеек ППД и выпол­ нение нужной операции сводится к заполнению ППД определен­ ными числами [50]. Для построения генератора кусочно-линейных преобразований можно использовать генератор векторов, после­ довательно определяющий по заданным координатам начала и конца вектора значения координат точек его пересечения с каж­ дой из промежуточных строк. При задании координат двух сосед­ них точек излома и использовании номеров строк в качестве ад­ ресов ППД выдаваемые генератором векторов числа являются ко­ ординатами точек соответствующего участка характеристики пре­ образования [50].

Выделение видеосигналов заданного уровня или уровня, попа­ дающего в заданный интервал квантования изображений С4, С2, может осуществляться с помощью генераторов векторов и графи­ ков. Степенное преобразование видеосигнала или его эквализация обеспечивается возможностью записи в ППД произвольной ха­ рактеристики преобразования из БЗУ. Контуры выделяются по­ дачей на вход БАУ восстанавливаемых в процессе декодирования значений ошибок предсказания. Градиентное изображение на ис­ ходное накладывают подачей сигнала с выхода ЗУ одновременно на входы обоих декодирующих устройств, определением градиен­ та яркости и умножением его на заданный коэффициент в блоке обработки соответствующего изображения БАУ, сложением ре­ зультата с исходными изображениями С4, С2 с помощью блока совместной обработки изображения С4.

Основой блока совместной обработки изображений С4 являет­ ся АЛУ, выполняющее сложение, вычитание, логическое сложение и умножение изображений С4 (рис. 2.24) [50].

Блок обработки изображений, полученных в результате сов­ местной обработки (рис. 2.25) [50], добавляет постоянное значе­ ние напряжения к уровню видеосигнала, маскирование изображе­ ния, наложение на него алфавитно-символьной и графической ин­ формации, обнуление разрядов кода изображения.

73

Рис. 2.25. Структурная схема блока обработки изображений, полученных в результате совместной обработки

На вход 1 АЛУ поступает результат совместной обработки изображений, на вход 2 — код константы или один из сигналов ЗУ наложения. На выходе АЛУ получается алгебраическая или логическая сумма изображения и константы или логическая функ­ ция изображения и сигнала ЗУ наложения, т. е. изменяется яр­ кость или маскируется изображение. Устройство срезки устраняет переполнение. При выполнении логических операций это устрой­ ство блокируется. Сигнал с его выхода логически складывается с сигналом от ЗУ наложения, задержанным на время выполнения операций БАУ, что обеспечивает наложение на изображение гра­ фической или символьной информации. В блоке обнуления обну­ ляются разряды кода изображения — операция слайсинг.

Рис. 2.26. Структурная схема МАУ

74

Основным элементом МАУ (рис. 2.26) является МП с высоким быстродействием. Работает МАУ в двух режимах: обработки строк и обработки фрагментов. В первом режиме очередная строка ТВ изображения по команде УУ считывается в БЗУ и с помощью МП обрабатывается, во втором — обрабатываются фрагменты аналогично: в БЗУ последовательно считывается несколько участ­ ков строк, образующих фрагмент. Блок реализации сдвигов воз­ действует только на устройство синхронизации дисплейного про­ цессора, поэтому он представляет собой отдельный блок, не свя­ занный с другими блоками МАУ.

2.3. СОЗДАНИЕ ПСЕВДОЦВЕТНЫХ ТВ ИЗОБРАЖЕНИИ С ПОМОЩЬЮ МИКРОПРОЦЕССОРОВ

Термин «псевдоцветное ТВ изображение» можно применять в двух значениях. Первое — это изображение, полученное в выб­ ранном диапазоне электромагнитного спектра и каждому участку которого по определенному правилу присвоен какой-либо цвет. Это как бы «раскрашенное» изображение. Обычно разные цвета при­ сваивают участкам изображения, уровень видеосигналов которых попадает в заданный интервал. Можно применять и другие пра­ вила, например «окрашивание» участков в зависимости от их ве­ личины (площади, длины контура и т. п.).

Второе — это изображение, которое формируют в соответст­ вии с какими-либо правилами по видеосигналам, полученным в нескольких участках электромагнитного спектра, отличным от участков, используемых для получения цветных ТВ вещательных изображений. Это спектрозональные изображения, а также цвето­ искаженные, которые получены в тех же участках спектра, что и для получения цветных ТВ вещательных изображений, но видео­ сигналы которых подвергают специальной обработке для выде­ ления цветом каких-либо элементов.

Формирователем псевдоцветного («раскрашенного») ТВ изобралсения может служить преобразователь кодов, который каж­ дому из выбранных значений уровня видеосигналов цифрового изображения ставит в соответствие три «-разрядных кода. Каж­ дый из этих кодов соответствует определенному цвету. Во многих системах псевдоцветное изобралсение создается либо непосредст­ венным формированием двухуровневых сигналов цветов в зависи­ мости от состояния трех старших разрядов кода уровня видеосиг­ нала, либо с помощью блока памяти с произвольным доступом большого объема, причем коды цветов выбирают заранее. Первый способ позволяет получить восемь фиксированных цветов, что часто недостаточно. Второй способ имеет недостаток, связанный с неопределенностью выбора цветов для «раскрашивания» изобра­ жения. Желательно оптимизировать используемый набор цветов по их взаимному положению в пространстве цветного треугольни­ ка, например максимизировать расстояния между цветами и ис­

75

пользовать для формирования кодов диодную логическую матри­

цу 150].

В полученном «раскрашенном» изображении цвет подчеркива­ ет границы между участками разной яркости, выделяет какиелибо детали, однако может получиться просто пестрая цветная картинка, ничего не выделяющая и не скрывающая.

Цветоискаженные изображения получают путем линейного или нелинейного преобразования координат цвета элементов исходно­ го изображения С4 (цветового пространства). Исходным может быть цветное ТВ изображение или исходное изображение С4, со­ ставленное из трехмерных компонент спектрозонального видеосиг­ нала. Искажение цвета в цветном ТВ можно применять для соз­ дания видеоэффектов, выделения некоторых объектов на изобра­ жении, за которыми должен следить наблюдатель, для достиже­ ния возможности обнаружить заданные детали изображения. В спектрозональном ТВ преобразования можно применять для соз­ дания картины в естественных цветах, когда зоны чувствитель­ ности не соответствуют зонам, применяемым в цветном ТВ. На­ пример, когда спектры сигналов содержатся в ультрафиолетовом или инфракрасном участках электромагнитного спектра.

Особенно широкие возможности для использования различных преобразований представляют МП. Рассмотрим алгоритмы, реали­ зуемые с их помощью.

Для получения цветоискаженного изображения из цветного не­ обходимо умножить матрицы исходных цветов R„, G,„ В„ (крас­ ного, синего, зеленого) каждого элемента изображения на матри­ цу коэффициентов преобразования:

Вkn ka2 k33

Если матрица коэффициентов

где i, /= 1, 2, 3, то на выходе участки цветного изображения, ко­ торые должны были быть зелеными, станут красными, синие — зелеными, красные — синими. В ряде случаев интересный эффект дает умножение на диагональную матрицу отрицательных еди­ ничных коэффициентов:

На выходе при этом меняются знаки координат цвета.

76

Если необходимо выделить на изображении элементы одного из основных цветов, то умножать надо соответственного на мат­ рицы

При этом элементы изображения с преобладанием красного, зеленого и синего компонентов цвета соответственно остаются поч­ ти неизменными по цвету, а элементы других цветов на выходе свой цвет существенно изменят.

Рассмотренные линейные преобразования обладают недостат­ ком — трудно предвидеть общую цветовую картину изображения, получающуюся после преобразования на выходе. Поэтому удобно такие преобразования делать в диалоговом режиме, имея в блоке памяти МГ1 набор матриц к,-л- или формируя их из набора коэф­ фициентов kij.

С помощью МП можно повысить эффективность линейных преобразований путем применения заранее разработанных правил выбора элементов изображения, подвергающихся этим преобра­ зованиям. Например, если априорно известны размеры части изо­ бражения, которую необходимо выделить цветом, то предвари­ тельно сегментируют изображение, отбирают сегменты заданной величины и затем преобразуют цвета.

Большие возможности открываются при использовании МП для нелинейных преобразований цветового пространства. Эти пре­ образования значительно увеличивают число и разнообразие эф­ фектов изменения цвета изображения. Нелинейным преобразова­ ниям можно подвергать как непосредственно отдельные координа­ ты цветового пространства, так и расстояния между точками это­ го пространства. Нелинейные преобразования можно поделить на две группы: «прямые» и «обратные». Прямые осуществляются с помощью использования возрастающих участков нелинейных функций, т. е. когда увеличение аргумента ведет к увеличению значения функции в этой точке, обратные — с помощью убы­ вающих ветвей нелинейных функций.

При использовании нелинейных преобразований координат трудно предсказать их результаты с точки зрения цветности вы­ ходного ТВ изображения. Поэтому подробнее остановимся на не­ линейном преобразовании расстояний между точками цветности цветового треугольника. Предположим, необходимо подчеркнуть оттенки цветности участков ТВ изображения, лежащих на диа­ грамме цветности ху вблизи некоторой наперед заданной точки с координатами цветности х0; уо (рис. 2.27).

Алгоритм такого преобразования:

1.Вычисление координат цветности х, у.

2.Вычисление угла (см. рис. 2.27)

77

Рис. 2.27. Нелинейное преобразование цветового пространства

3.Запись в память значения а.

4.Определение расстояния d между точками с текущими коор­

динатами и заданной точкой с координатами Хо, уо

5. Нелинейное преобразование расстояния, например, с исполь­

где dH— новое расстояние между точками в цветовом пространст­ ве; а, Ь, с — коэффициенты квадратичной функции.

6. Запись в память величины кл.

7. Определение величин х \, у \ через решение системы уравне­ ний

Знак перед корнем (2.55) можно выбирать любым. От него изменится на 180° положение точки с преобразованными коорди­ натами-.

8. Определение через х \, у \ выходных значений — координат R, G, В. Вычисляем после преобразования координаты цвета

78

где Х°, У0, Z0 — координаты цвета в системе МКО до преобра­ зования.

Хк, Хэ, Хс — координаты цвета люминофора кинескопа ВСУ. Молено преобразовать цветовое пространство так, что точки

будут перемещаться по прямой, проходящей через координаты х0, Уо и Xi, у\. Тогда при нелинейном преобразовании по квадратич­ ной функции

где d„=ad2 + bd+c.

Знак у корня, как и в предыдущем случае, можно выбирать любым.

При обратном нелинейном преобразовании расстояний между точками цветности может быть использована, например, функция

ния на 0.

Преобразованные координаты ищутся по алгоритму, аналогич­ ному предыдущему. Такое преобразование приводит к тому, что точки цветности, лежащие далеко от заданной, приближаются к ней, а лел*ащие близко — удаляются.

Аналогичным преобразованиям могут быть подвергнуты рас­ стояния между точками не только цветности, но и цветового трех­ мерного пространства.

2.4. ПОЛУЧЕНИЕ ТОМОГРАФИЧЕСКИХ И ПСЕВДООБЪЕМНЫХ ТВ ИЗОБРАЖЕНИЙ С ПОМОЩЬЬЮ МИКРОПРОЦЕССОРОВ

Томографические изображения объектов — это изображения, полученные по их проекциям. Такие изображения особенно важны в медицине, например при ТВ рентгеноскопической диагностике.

79