(по цифровому вещанию) Dvorkovich_V_Cifrovye_videoinformacionnye_sistemy

5.1. Заметность пространственных изменений яркости изображений

Общая яркость цветного экрана определяется выбранной цветностью белого. Исследования показывают, что едва заметным искажениям белого соответствуют довольно большие, порядка 6–8% изменения сигналов основных цветов [2.4, 2.99].

Контраст изображения характеризуется отношением величины максимальной яркости изображения и яркости наиболее темных его участков.

Телевизионное изображение оценивается как хорошее при контрасте 30, качество его значительно улучшается при увеличении контраста до 100. При дальнейшем повышении контраста качество телевизионного изображения улучшается незначительно.

Качество воспроизводимых градаций яркости в диапазоне между максимальной и минимальной яркостями изображения определяют требования к шкале квантования сигнала яркости.

При исследовании порога заметности пространственных изменений яркости изображения обычно используют детали изображения, имеющие угловой размер порядка 1,5◦ — при отношении расстояния наблюдения к высоте изображения на экране, равном 6, размер детали составляет порядка 1/8 ширины экрана.

Предположим, имеется изображение с тремя одинаковыми круглыми деталями, расположенными в левом верхнем углу, в центре и в правом нижнем углу. На сером фоне окружающей среды (1/2 от максимальной яркости — код 128 при 8-битовой шкале) эти детали четко различимы при их яркости, например, равной 1/4 от максимальной яркости изображения (код 64). Изменяя яркость расположенных в углах деталей в разные стороны, отметим, что едва заметные изменения яркости возникают при изменении кода, характеризующего пикселы деталей, на 4–6 единиц.

Следовательно, при изменении кодов на 6 единиц соотношения яркости элементов изображения в левом верхнем углу, в центре и в правом нижнем углу (по отношению к максимальному значению яркости экрана) соответственно равны 58/255 : 64/255 : 70/255. При этом, как следует из рис. 5.1, изменения яркости едва заметны.

Аналогичный результат получается при яркости деталей большей, чем яркость окружающей среды, как показано на рис. 5.2 (соотношения — 186/255 : 192/255 : 198/255).

Заметность изменений яркости резко возрастает, если указанные выше три детали на изображении разместить рядом (рис. 5.3). В таком случае изменения яркости оказываются заметными, если уровни сигналов отличаются лишь на две единицы. Еще большая заметность изменений яркости имеет место, если яркость фона (ближайшего участка) близка к яркости деталей (рис. 5.4).

Итак, порог заметности пространственных изменений яркости зависит от многих факторов — яркости деталей изображения, яркости фона, относительного положения деталей различной яркости, условий внешнего освещения [2.94, 2.95, 2.99, 2.100].

В целом высокие пороги заметности имеют место в очень темных или очень ярких участках изображения. На среднеярких, серых участках заметность изменений яркости наибольшая.

Неоднородность фона, на котором передается рассматриваемый элемент изображения, создает маскирование пространственных изменений яркости.

Глава 5. Визуальная избыточность изображений

Рис. 5.1. Пример визуальной заметности изменений яркости удаленных друг от друга темных деталей на сером фоне

На рис. 5.5 показано изображение вертикальных белых линий, расположенных на различных расстояниях от вертикальной белой широкой полосы.

Слева от первой левой белой широкой полосы линия располагается на расстоянии одного пиксела, а справа — на расстоянии двух пикселов. Слева от второй белой широкой полосы линия располагается на расстоянии трех пикселов, а справа — на расстоянии четырех пикселов. У последующих двух широких белых полос линии располагаются соответственно на расстоянии пяти, шести, семи и восьми пикселов. Нетрудно заметить, что визуальная яркость этих линий возрастает при увеличении расстояния от маскирующей поверхности.

На некотором расстоянии от указанных выше вертикальных белых линий располагаются линии, визуальная яркость которых подобрана равной яркости близлежащих белых линий. При этом чем ближе белая линия располагается к белой полосе, тем меньше ее визуальная яркость.

Этот эффект, получивший название эффекта пространственного маскирования был использован в некоторых экспериментах для повышения эффективности ДИКМ [2.4].

5.1. Заметность пространственных изменений яркости изображений

Рис. 5.2. Пример визуальной заметности изменений яркости удаленных друг от друга светлых деталей на сером фоне

Пороговая заметность изменений яркости существенно зависит от формы сигнала, от относительного положения его искажений [2.4, 2.94, 2.99].

На рис. 5.6 приведено изображение нескольких вертикальных полос, форма сигнала которых имеет вид продискретизированной синусквадратичной функции.

Сигнал располагается на темном фоне (64 дискрета) и имеет размах в 128 дискретов. Справа и слева от линий располагаются эхо-сигналы двух полярностей (справа — отрицательный, а слева — положительный), расположенных на различных расстояниях от основного сигнала (2 пиксела, 4 пиксела, 8 пикселов и 16 пикселов). Их уровни установлены таким образом, что соответствуют одинаковой визуальной пороговой заметности.

При этом эхо-сигналы, расположенные на расстоянии 8 и 16 пикселов, едва заметны при размахе примерно в 2% относительно основного сигнала, на расстоянии 4 пикселов — 4%, а на расстоянии 2 пикселов — более 8%.

Потенциально достижимое качество телевизионного изображения определяется параметрами ТВ стандарта. Стандарт практически не ограничивает точности воспроизведения приведенной яркости на деталях крупных и средних раз-

Глава 5. Визуальная избыточность изображений

Рис. 5.3. Пример визуальной заметности изменений яркости совмещенных друг с другом темных (как на рис. 5.1) и светлых (как на рис. 5.2) деталей на сером фоне

меров. Он ограничивает главным образом точность воспроизведения мелких деталей и резких переходов, т. е. четкостные параметры изображения [2.94, 2.95, 2.99].

Четкость по горизонтали (вдоль строк) пропорциональна отношению полосы частот сигнала яркости к частоте строк, т. е. числу строчных гармоник в видеоспектре.

Верхнюю граничную частоту видеоспектра fгр определяют из условия, что один период сигнала этой частоты воспроизводит два элемента изображения (например, белый и черный штрихи).

Отсюда очевидно, что [2.99]

где Lстр — размер активной части строки, гор — размер одного горизонтального элемента, Tстр — длительность строчного интервала, α — относительная величина пассивной части строки. Если учесть, что

Lстр = k · h, Tстр = 1/(Z · n),

5.1. Заметность пространственных изменений яркости изображений

Рис. 5.4. Пример визуальной заметности изменений яркости совмещенных друг с другом темных и светлых деталей (как на рис. 5.3) на фоне, близком к яркости деталей

где k = 4/3 — формат кадра, h — его высота, Z и n — число строк в кадре и число кадров в секунду, причем

h = Z(1 − Θ)δверт,

где Θ — относительная величина пассивной части кадра, δверт — шаг развертки по вертикали, то

Член K = δверт — так называемый коэффициент Келла [2.99, 2.101] учитывает,

гор

что из-за дискретности развертки по вертикали реальный размер вертикального элемента верт превосходит шаг развертки δверт. Строго говоря, согласно теореме отсчетов должно выдерживаться соотношение верт δверт.

Но поскольку в стандартном ТВ-вещании фильтрация оптического изображения по вертикали ни до развертки в камере, ни после развертки в приемнике не осуществляется, то указанное соотношение не выполняется.

По этой причине, с одной стороны, возникают искажения — муары, связанные с перекрытием исходного и преобразованного спектров из-за отсутствия

префильтрации, и заметная строчная структура, связанная с сохранением преобразованного спектра из-за отсутствия постфильтрации.

Но с другой стороны, отсутствие фильтрации делает возможным воспроизведение более мелких деталей до δверт при благоприятном фазовом положении этих деталей относительно строчного растра.

Очевидно коэффициент Келла может быть рассчитан из формулы, определяющей fгр при заданной ее величине. Так, при стандарте развертки 625/25

иfгр = 6 МГц — K = 0,81, при fгр = 5 МГц — K = 0,67. При стандарте развертки 525/30 и fгр = 4,2 МГц — K = 0,68.

Существенную роль играет и чересстрочность разложения: так как четное

инечетное поля возникают в разные моменты времени, то визуально наблюдаемый межстрочный интервал оказывается большим, чем указанная величина δверт; возникают также межстрочные мерцания, ухудшающие четкость по вертикали.

Вцифровом телевидении при использовании построчного разложения и эффективной постфильтрации четкость по горизонтали и вертикали будет строго одинакова.

5.2. Заметность временных изменений яркости изображений

Рис. 5.6. Зависимость заметности эхо-сигналов от расстояния до основного сигнала

Как уже было отмечено выше, на качестве воспроизведения движущихся объектов в телевидении особенно сказываются два фактора:

–использование чересстрочной развертки;

–размытие объектов в последовательности кадров из-за нарушения потенциального рельефа в ТВ-камере при быстром движении.

На рис. 4.9 приведен фрагмент изображения и его увеличенный участок, поясняющие смещение движущегося изображения за интервал поля: контур движущейся детали искажен за счет смещения в строках 2-го поля относительно строк 1-го поля.

На рис. 4.8 изображены фрагменты движущегося изображения в трех соседних кадрах, поясняющие размытие в кадре за счет движения его деталей.

Помимо ухудшения качества изображения за счет сканирования считывающего луча в ТВ-камере восприятие движущегося объекта зависит от того, отслеживает ли глаз его движение.

Пространственное разрешение также заметно падает при резкой смене сюжета — приблизительно в 10 раз на длительность 0,5 сек [2.4, 2.102]. Этот факт

Глава 5. Визуальная избыточность изображений

может быть использован для обеспечения эффективного сжатия телевизионных изображений.

Следует заметить, что параметры системы телевизионного вещания являются доминирующим фактором ухудшения пространственного восприятия движущихся изображений, если глаз следует за объектом. В противном случае изменения качества изображений связаны с особенностями зрения. Однако не существует количественных критериев, позволяющих снижать разрешающую способность воспроизведения «неотслеживаемых» объектов изображения с целью повышения эффективности кодирования.

Мешающее действие помех на изображении при одном и том же их эффективном значении и одинаковых условиях наблюдения в основном зависит от распределения мощности помехи по спектру, разрешающей способности глаза, яркости и цветности участков воспроизводящего устройства, на котором наблюдаются помехи [2.4, 2.103].

Визуальное восприятие флуктуационной помехи связано с используемыми методами обработки и передачи изображений, поскольку эти процессы в значительной мере определяют форму спектра помех и распределение их амплитуд.

Субъективная оценка воздействия флуктуационных помех на изображение зависит от многих факторов — формы, цвета и размера деталей изображения, внешней освещенности экрана, дистанции просмотра и т. д.

Относительная степень мешающего действия различных составляющих флуктуационных помех характеризуется так называемыми весовыми функциями помех Φ(f ).

При этом визуально воспринимаемая мощность помехи Pв характеризует ее заметность. Этот термин употребляется в смысле выходной мощности некоторого светочувствительного прибора, аналогичного человеческому глазу:

0

где P (f ) — спектральная плотность мощности помехи.

Фильтры, реализующие весовую функцию помех, называются взвешивающими. В телевидении они нашли широкое распространение.

На рис. 5.7 приведены схемы, параметры и характеристики затухания взвешивающих фильтров, используемых в монохромном (кривая 1, фильтр — справа сверху) и цветном (кривая 2, фильтр — справа снизу) телевидении при передаче сигналов стандартных систем NTSC, PAL, SECAM [2.104–2.106].

Влияние помех на качество воспроизводимых изображений обычно характеризуют выраженным в дБ отношением Ψп размаха сигнала яркости UY к эффективному напряжению помехи Uэфф, измеренному на выходе взвешива-

Рис. 5.7. Взвешивающие фильтры помех и их характеристики

ющего фильтра [2.103]:

Общепринято, что при отношении сигнала к помехе более 52 дБ случайные помехи незаметны, а при менее чем 26 дБ они сильно мешают.

Еще раз отметим, что квантование исходных пикселов изображения приводит к ошибкам восстановленного изображения в виде случайного шума, который практически невидим при 8-битовом квантовании.

При уменьшении числа битов заметность шума увеличивается. Отметим также, что заметность шума квантования в сильной степени зависит от наличия флуктуационных помех в исходном изображении. Это следует учитывать при цифровом кодировании изображений.

Вотличие от объективного описания цветов в рамках колориметрической теории, субъективное восприятие цвета является сложной проблемой, и пока не предложены алгоритмы оценки визуально воспринимаемого цвета.