Совершенствование способов телевизионной передачи изображений, широкое применение методов цифровой обработки сигналов, появление систем цифрового телевидения привело к существенному повышению качества передачи. Геометрическое подобие передаваемого изображения оригиналу является одним из важнейших параметров, определяющих качество воспроизводимых изображений в ТВ системах визуального отображения и правильную интерпретацию данных в системах технического зрения [1]. В идеальном случае преобразования исходного изображения сводятся к изменению его масштаба, однако в реальных ТВ системах воздействие ряда искажающих факторов приводит к нарушению подобия координатного пространства входного сигнала и эквивалентного пространства изображений.
Существующие методы контроля параметров ТВ устройств и изображений не всегда удовлетворяют требованиям, предъявляемым в настоящее время к метрологическому обеспечению процессов производства, сертификации и эксплуатации ТВ техники. Можно указать немало задач, для которых требуется существенно более высокая эффективность оценки координатных искажений, вносимых ТВ системой: для измерения и контроля параметров устройств телевидения повышенного качества и высокой четкостидля повышения точности ТВ измерительных систем, где извлечение информации об объектах исследования осуществляется путем анализа пространственной структуры изображениядля построения высококачественных устройств ввода-вывода изображений и т. д. Возникает необходимость усовершенствования существующих и создания новых методов с целью повышения их точности, чувствительности и разрешающей способности, снижения трудоемкости, возможности автоматизации процессов измерения, обработки и отображения результатов. Эффективное решение этих задач и существенное расширение возможностей ТВ метрики обеспечивает использование эффекта муара в измерительных целях.
Другой важной характеристикой ТВ изображений является достоверность передачи информации о цвете. При подготовке полиграфической продукции к печати, монтаже телевизионных программ, создании мультимедийных продуктов точность цветопередачи имеет первостепенное значение. Получение высокой колориметрической верности воспроизведения возможно только при точном соответствии характеристик цветовой системы видеомонитора принятому способу кодирования информации о цвете. В настоящее время наиболее высококачественными устройствами воспроизведения цветных изображений остаются электронно-лучевые трубки с дискретными многоцветными люминофорными покрытиями экранов (масочные кинескопы) [2]. Одной из причин искажений цветопередачи в масочных кинескопах является нарушение цветоделения, приводящее к попаданию электронных пучков на не соответствующие им элементы люминофорного покрытия экрана. Выявление смещения электронных пятен на соседние люминофоры и оценка чистоты основных цветов также может быть эффективно осуществлено с использованием эффекта муара, что связано с дискретным периодическим характером структуры многоцветных экранов.
Муаровый эффект является эффективным средством исследования мелких естественных и искусственных структур, если их непосредственное наблюдение невозможно, нецелесообразно или неэффективно. В основе использования эффекта муара как средства наблюдений лежит его свойство отображать с увеличением структуру налагающихся решеток, что позволяет согласовать разрешающую способность зрительной системы человека или инструмента, заменяющего ее при наблюдении посторонних узоров, с соответствующей микроструктурой объектов. В соответствующих системах измерения и контроля формируются муаровые интерференционные картины, на основании анализа которых осуществляется оценка тех или иных параметров исследуемых объектов. Вследствие своего чисто геометрического характера муар позволяет исследовать перемещения и деформации независимо от их физической природы. Высокая точность методов муаровых измерений в сочетании с широким спектром возможных применений определили их использование для решения разнообразных научных и прикладных задач [3, 4].
Впервые муаровый эффект, наблюдаемый при наложении дифракционных решеток, описан Рэлеем [5]. Позднее появляются работы по анализу и интерпретации муаровых картин, возникающих при наложении различных периодических структур [6, 7, 8, 9 и др.]. Начиная с 40-х гг. XX в., после того как стало возможным промышленное изготовление мелких и точных сеток, методы исследований, основанные на использовании эффекта муара, широко применяются в различных областях науки и техники для получения информации о физических объектах и процессах. Данное явление используют в растровой микроскопии для обнаружения дислокаций в кристаллических структурах [10], для контроля изделий микроэлектроники [И], в биомедицинских исследованиях [12], в текстильной промышленности при определении плотности тканей, для выявления дефектов периодичности различных мелких сеток, растров, дифракционных решеток и т. д. Широко распространено применение муара в экспериментальной механике для точного измерения линейных и угловых перемещений [13, 14], механических деформаций и напряжений в деталях и узлах различных конструкций [15, 16, 17, 18, 19 и др.], при определении формы трехмерных тел и топографических исследованиях рельефа поверхностей [20, 21], при выявлении неоднородностей и определении показателей преломления оптических систем, растворов и других прозрачных сред, при оптических исследованиях в телескопии, микроскопии, фотометрии и т. д.
Важнейшим этапом любых интерференционных исследований является извлечение информации о разности фаз интерферирующих структур на основании анализа распределения интенсивности интерферограммы. Применение того или иного способа обработки определяется характером решаемой задачи и, в первую очередь, требованиями к точности и информационной производительности измерительной системы [22, 23, 24]. В системах адаптивной оптики, при высокоточном оптическом контроле, при исследованиях формы поверхностей получили распространение методы, основанные на выделении хребтовых линий на интерферограммах [25]. Точность таких методов определяется в первую очередь ошибкой выделения линий равных фаз по измеренным значениям интенсивности интерференционной картины в условиях воздействия реальных шумов и искажений. Исследования и разработка методов скелетонизации интерферограмм в реальном времени с использованием ТВ устройств проводились на кафедре Телевидения и видеотехники СПбГЭТУ «ЛЭТИ» [26, 27, 28].
Большие потенциальные возможности методов муаровых измерений позволяют предположить, что их применение для оценки параметров ТВ устройств, связанных с имеющимися в них периодическими структурами, приведет к существенному росту эффективности решения этих задач в плане повышения точности, снижения трудоемкости и возможности автоматизации измерений. Однако вопросы применения эффекта муара в ТВ метрике к настоящему времени изучены недостаточно полно и отражены в работах, относящихся в основном к 50-м .70-м гг. XX в. Результаты существующих исследований могут быть расширены и модифицированы применительно к современным потребностям ТВ техники.
В соответствии с указанными проблемами цель диссертационной работы может быть сформулирована следующим образом: разработка и исследование методов, обеспечивающих повышение эффективности оценки параметров и характеристик ТВ устройств и изображений на основе использования эффекта муара. Для достижения поставленной цели в диссертационной работе поставлены и решены следующие задачи.
1. Анализ механизмов возникновения, свойств и проявлений муарового эффекта в ТВ системе.
2. Систематизация и сравнительный анализ существующих муаровых методов ТВ измерений.
3. Разработка метода визуальной оценки масштабных искажений по полю изображения, включающая следующие этапы: разработку тестовых структур и математическое описание процессов формирования посторонних узоровсинтез испытательной таблицыразработку методики измерений.
4. Разработка метода автоматизированной оценки координатных искажений в ТВ системе, включающая следующие этапы: выбор тестовых структур и интерпретацию муаровых картинопределение модели сигнала муарового изображения в условиях воздействия реальных шумов и искаженийсинтез и исследование алгоритма машинной обработки регистрируемых муаровых изображений.
5. Разработка метода оценки искажений цветовоспроизведения в приемных устройствах с дискретными экранами, включающая следующие этапы: анализ причин и характера нарушений чистоты основных цветов в масочных кинескопах и определение вызываемых ими искаженийформулировка принципа пространственного стробирования и математический анализ процессов формирования муаровых картинразработку методики измерений.
6. Анализ факторов, влияющих на точность разработанных методов, и оценка погрешностей результатов измерений.
7. Экспериментальные исследования и подтверждение полученных результатов.
Основные методы исследования. Теоретическая часть работы базируется на положениях теории сигналов, спектрального анализа и основных положениях колориметрии. Экспериментальные исследования проведены на реальных ТВ устройствах с использованием разработанных испытательных изображений, а также с использованием имитационного моделирования процедур обработки муаровых изображений на ЭВМ.
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем.
1. Показано, что для визуальной оценки относительного масштаба на участках изображения целесообразно использовать тестовые структуры с переменным шагом штрихов. Метод сочетает удобство использования гиперболических муаровых полос и оперативность визуального отсчета значений масштаба по градуированным шкалам, нанесенным на тестовые фрагменты. Предложены и разработаны принцип компоновки испытательной таблицы и методика измерений.
2. Разработан метод автоматизированной оценки координатных искажений в ТВ системе, предполагающий фотоэлектрическое преобразование и обработку муаровых картин на ЭВМ. В соответствии с выбранной структурой тестовых изображений предложены способ интерпретации муаровых картин и методика измерений.
3. Разработана процедура алгоритмической обработки муаровых картин и оценки непрерывной функции распределения координатных ошибок по полю изображения, в основе которой лежит восстановление фазы комплексного аналитического сигнала, соответствующего регистрируемому сигналу муарового изображения. Разработаны методики и программы для моделирования и исследования характеристик процедуры автоматизированной обработки муаровых изображений на ЭВМ.
4. Предложен и разработан пространственно-стробоскопический метод оценки чистоты основных цветов трехлучевых масочных кинескопов, основанный на транспонировании высокочастотного спектра структуры многоцветных экранов в низкочастотную область. Установлена взаимосвязь цветового охвата воспроизводящего устройства со светотехническими характеристиками люминофоров и структурой их возбуждения электронными пучками. Показана возможность оценки координат цветности основного цвета, анализируя геометрические параметры цветной муаровой картины. Определены пути автоматизации измерений.
5. Определены критерии выбора и выбраны номинальные значения геометрических параметров цветной муаровой картины и соответствующий им шаг окон прозрачности стро-бирующего трафарета. Установлена взаимосвязь фотометрических параметров свечения экрана, скважности трафарета и параметров, характеризующих режим работы ТВ датчика при фотоэлектрическом анализе муаровой картины. '.
6. Произведены анализ источников и оценка погрешностей разработанных методов.
Практическая ценность работы. Значение результатов диссертационной работы для практики заключается в следующем.
1. Разработанные методы муаровой оценки масштабных и координатных искажений изображения, а также чистоты основных цветов воспроизводящих устройств позволяют повысить точность и информационную производительность измерений, исключить субъективную погрешность оператора, в результате чего повышаются эксплуатационно-технические характеристики контролируемой аппаратуры.
2. Полученные теоретические результаты позволяют осуществить синтез структуры и выбрать параметры измерительно-вычислительной системы, изготовить оптические тест-таблицы и реализовать алгоритмы обработки измерительной информации.
3. На основе созданного научно-методического аппарата разработано программное обеспечение для моделирования и исследования характеристик предложенных методов с использованием современных вычислительных средств.
4. Разработанные принципы измерений, методики и алгоритмы могут быть эффективно внедрены в состав автоматизированных измерительно-вычислительных комплексов, предназначенных для измерений и технологического контроля в процессах производства, сертификации и эксплуатации ТВ устройств вещательного и прикладного назначения. Способы получения и алгоритмической обработки муаровых картин могут быть использованы для экспериментальной оценки механических деформаций и напряжений в деталях и узлах различных конструкций.
Результаты диссертационной работы использованы при выполнении хоздоговорной научно-исследовательской работы Т-142 по разработке интегрированных телевизионных систем безопасности, проводимой кафедрой Телевидения и видеотехники СПбГЭТУ «ЛЭТИ» совместно с группой компаний «Иста», что подтверждено соответствующим актом внедрения (Приложение 1). Результаты работы использованы при выполнении научно-исследовательской работы по гранту СПбГЭТУ «ЛЭТИ» для аспирантов и докторантов (2000 г.), а также внедрены в учебный процесс.
На защиту выносятся следующие основные положения.
1. Существующие методы оценки искажений геометрии ТВ изображения не всегда удовлетворяют требованиям современной ТВ метрики. Дальнейшее повышение точности и информационной производительности, возможность автоматизации методов оценки параметров и характеристик ТВ устройств и изображений, связанных с имеющимися в них периодическими структурами, достигается при использовании эффекта муара.
2. Метод визуальной оценки масштабных искажений на участках изображения, реализующий принцип отсчетного устройства с градуированными шкалами.
3. Метод автоматизированной оценки распределения координатных ошибок по полю изображения с обработкой муаровых картин на ЭВМ.
4. Способ интерпретации картин муара и последовательность операций при машинной обработке регистрируемых муаровых изображений.
5. Метод оперативного выявления и оценки нарушений чистоты основных цветов устройств воспроизведения изображений, основанный на пространственном стробировании периодической структуры многоцветных экранов.
Материал диссертационной работы разбит на четыре главы. В разделе 1.1 первой главы рассмотрен механизм возникновения эффекта муара при наложении двухмерных растровых структур. В разделе 1.2 проанализированы непрерывно-дискретные преобразования в ТВ системе, рассмотрены возникающие искажения изображений и возможности их минимизации. Вторая глава посвящена вопросам оценки масштабных и координатных искажений в ТВ системах. Виды искажений геометрии изображения и критерии их оценки кратко рассмотрены в разделе 2.1. Обзор методов оценки параметров и характеристик ТВ устройств, основанных на использовании фигур муара, проведен в разделе 2.2 главы 2. В разделе 2.3 разрабатывается метод визуальной муаровой оценки масштабных искажений, а в 2.4 — метод оценки координатных искажений изображения с обработкой муаровых картин на ЭВМ. Глава 3 диссертационной работы посвящена вопросам цветопередачи в устройствах с дискретными многоцветными экранами. Разделы 3.1 и 3.2 содержат краткое описание особенностей цветовоспроизведения в трехлучевых масочных кинескопах и обзор основных методов оценки цвета на приемных экранах. В разделе 3.3 проведена разработка пространственно-стробоскопического метода оценки чистоты основных цветов масочных кинескопов. В главе 4 приведены результаты экспериментальных исследований, подтверждающих и дополняющих теоретическую часть работы.
Основные результаты исследований опубликованы в работах.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
V.
В результате выполнения диссертационной работы разработана группа методов, позволяющих существенно повысить эффективность оценки параметров и характеристик ТВ устройств и изображений на основе использования эффекта муара.
Обобщая результаты проведенных исследований, необходимо отметить следующее.
1. Разработан метод визуальной оценки масштабных искажений на участках изображения, основанный на сравнении шага тестовой структуры и шага линий ТВ растра. Предложе.
J ны оригинальные тестовые структуры с переменным шагом штрихов, обеспечивающие v удобство использования гиперболических муаровых полос и оперативность визуального отсчета относительных значений масштаба по градуированным шкалам. Показано, что при выбранных параметрах тестовых структур точность оценки в 15. 20 раз превышает точность традиционных способов измерения по изображению сетчатого поля и может быть повышена при уменьшении диапазона значений оцениваемых искажений. Реализуемый принцип от-счетного устройства исключает косвенный характер измерений.
2. Разработан и исследован метод автоматизированной оценки координатных искажений в ТВ системе с использованием линейных тестовых структур с постоянным шагом штрихов. Предложено интерпретировать муаровые картины как семейство линий равных пеrf ремещений точек исходного изображения относительно разлагающего растра в направлении дискретного разложения, что позволяет восстановить поле координатных ошибок, оценивая распределение фаз в муарограмме.
3. За оценку функции пространственного фазового сдвига между структурами тестового изображения и ТВ растра предложено принимать аргумент комплексного аналитического сигнала, соответствующего регистрируемой реализации муарового сигнала. Для возможности одномерной обработки в спектральной области и безошибочного восстановления аналитического сигнала предложено ввести пространственную несущую за счет небольшой разницы шагов растра и тестового изображения. г^ 4. С использованием машинного моделирования получена характеристика потенциальной точности метода в виде зависимости среднеквадратической ошибки восстановления от интенсивности флуктуационного шума, позволяющая сделать вывод о высокой помехоустойчивости восстановления фазовой функции методом прямой демодуляции.
5. Высокая точность процедуры автоматизированной обработки муаровых картин и восстановления поля координатных ошибок позволяет использовать данный метод для прецизионной оценки искажений в ТВ системах, а также при решении телевизионными методами задач экспериментальной механики по оценке малых деформаций и перемещений объектов.
6. Предложен и разработан метод пространственного стробирования структуры многоцветных экранов, позволяющий оперативно выявить и оценить нарушения чистоты основных цветов воспроизводящих устройств без проведения колориметрических измерений. Получены приближенные выражения для расчета координат цветности основного цвета при нарушении цветоделения, пригодные для инженерных расчетов. Получены зависимости площади треугольника основных цветов приемника от степени нарушения основного цвета для различных сочетаний основного и посторонних цветов. Предложен способ автоматизации измерений, базирующийся на фотоэлектрическом преобразовании и оценке геометрических параметров цветных муаровых фрагментов.
7. Произведен выбор основных геометрических параметров муаровой картины и соответствующих параметров стробирующего трафарета. Получены аналитические выражения для расчета скважности трафарета исходя из характеристик сигнала на выходе анализирующего ТВ датчика. Построено семейство зависимостей, позволяющих определить значение времени накопления, обеспечивающего требуемое отношение сигнал/шум при заданной скважности стробирующего трафарета.
8. Результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований показывают возможность эффективного использования разработанных методов при производстве, сертификации и эксплуатации ТВ аппаратуры.
9. Результаты диссертационной работы внедрены при измерении и контроле параметров видеомониторов, эксплуатируемых в составе интегрированных телевизионных систем безопасности. — — ••.
