Глава 6 (Учебник - информационные системы), страница 9

Основными задачами фреймграббера являются: кодирование видеосигнала (в том чи­сле его квантование и дискретизация), частотная фильтрация («сглаживание» изображения), буферизация и ввод массива данных.

К одированием видеосигнала называется про­цедура представления черно-белого или цветного изображения дискретным массивом двоичных данных, однозначно соответствующим исходно­му.

Процедура кодирования включает дискретизацию (рис. 6.32) - час­тотное преобразование непрерывного видеосигнала в пи­ксельный и кван­тование - амплитудное преобразование си­г­на­лов яркости и цветности (рис. 6.33).

Дискретизация - представление непрерывного аналогового сигнала последовательностью его значений (отсчетов). Эти отсчеты берутся в моменты времени, отделенные друг от друга интервалом, называемым периодом дискретизации T_д. Дискретизация является преобразованием по полю; она реализует преобразование развертки видеосигнала U_с(t) в решетчатую функцию U_с [T] (обычно 100 нс < T_д < 1,5 мкс). Функция преобразования при дис­кретизации имеет вид:

U _с (t)  U_с [T]  U_mn,

где m и n - дискретные отсчеты абсциссы x и ординаты y отдельных точек свето­чув­ствительной поверхности телека­меры (они однозначно определяются через периоды строчной и кадровой разверток). Для цветной телекамеры мы имеем дело с тремя преобразованиями, и для каждой компоненты получим:

U_Y  (U_Y) _mn, U_U  (U_U) _mn, U_V  (U_V) _mn.

Здесь индексы Y, U, V - определяют соответствующую компоненту полного видеосигнала.

Чем меньше период T_д и выше частота дискретизации f_д = 1/T_д, тем меньше различия между исходным сигналом и его дискретизированным значением. Сту­пенчатый вид дискретизированного сигнала может быть сглажен фильтром ни­жних частот, с помощью которого обычно и осу­­ществляется восстановление аналогового сигнала из дискретизированного. Однако при восстановлении необходимо выполнения известное ограничения: f_д  2f_max, где f_max - верхняя частота спектра исходного аналогового сигнала (это условие определяется известной теоремой Найквиста-Котель­никова). Если это условие не выполняется, то дискретизация сопровождается необратимыми искажениями. Примером искажений, связанных с недостаточно высокой частотой временной дискретизации (в том числе с частотой кадров разложения), является картина движущегося велосипеда с вращающимися спицами колеса (стробоскопический эффект). Поэтому, при дискретизации телевизионного сигнала с граничной частотой 6 МГц, необходимо, чтобы f_д > 12 … 14 Мгц.

Квантование (преобразование по амплитуде) представляет собой замену величины отсчета сигнала ближайшим значением из набора фиксированных величин - уровней квантования. Следовательно, квантование - это округление величины отсчета. Уровни квантования делят весь диапазон возможного изменения значений сигнала на конечное число интервалов - шагов квантования. Обычно при квантовании производится пре­д­ставление абсолютного значения решетчатой функции U_с [T]  U_mn в двоичном виде. Функция преобразования при ква­нтовании описывается зависимостью:

U_mn (N)  2^N U_mn

где U_mn = U_{c min} - разрешающая способность АЦП, соответствующая минимальному уровню видеосигнала (уровню белого), N - разрядность АЦП.

Таким образом, в результате кодирования полный видеосигнал преобразуется в трехмерную дискретную функцию изображения - (U_YUV)_mn:

(U_YUV)_mn = U(N, m, n, U_Y,U_U,U_V, t).

Здесь (U_YUV)_mn - дискретная амплитуда пикселя, расположенного на пересечении m-ой строки и n-ого столбца.

Искажения сигнала, возникающие в процессе квантования, называют шумом квантования. Обычно, при оценке шума вычисляют разность между исходным сигналом U_с и его квантованным значением U_с(N), а в качестве показателей шума принимают среднеквадратичное значение этой разности. Особенностью шума квантования является его связь непосредственно с сигналом, поэтому его нельзя устранить последующей фильтрацией. Шум квантования убывает с уве­личением числа уровней квантования N. Нормой считается N = 10, что при двоичном кодировании позволяет квантовать видеосигнал на 1024 уровня. (Для монохромного изображения эти уровни называются градациями яркости). Таким образом, в результате проведенных преобразований видеосигнал представляет собой последовательность кодовых слов, каждое из которых передается в пределах одного интервала дискретизации.

Способы квантования и дискретизации ви­део­сиг­нала в СТЗ в значительной степени определяют ее эксплуатационные характеристики - быстродействие и разрешающую спо­соб­ность.

Быстродействие СТЗ, как правило, задается числом обрабатываемых изображений в секунду и зависит от размера и типа изображения и числа градаций яркости. Оно связано со временем ввода и временем обработки данных процессором СТЗ. Как уже отмечалось, работа с массивами изображений требует очень высокой пропускной способности канала передачи данных. Так, только ввод 10 полутоновых кадров размером 512512 элементов при 256 градациях яркости за секунду, требует пропуск­ной способности интер­фейса  2,6 Мбайт/с. Цифровой же поток при чересстрочном вводе такого же цветного изображения с двухбайтовой глубиной цвета составит 512512252  13 Мбайт/c.

Режим реального времени требует обработки одного поля изображения в темпе кадровой развертки, т.е. за 1/50 с, или 20 мс. Обычно, для улучшения качества изображений (с учетом эргономических требований) необходимо обеспечить большие значения частот кадровой развертки - 85 … 120 Гц. С этой целью устройства ввода и вывода изображений оснащаются гра­фическими процессорами. Так, например, при 24 битовом представлении изображения в «естественных цветах» с разрешением 1024768 и вертикальной разверткой 85 Гц скорость передачи данных составляет более 200 Мбайт/с. Такая производительность превышает возможности стандартных локальных компьютерных шин. Частота строчной развертки устройства вывода изображений (например, монитора) должна составлять не менее 76885 = 66 кГц.

Основными путями решения проблемы реального времени при вводе и выводе изображений являются:

• разработка новых типов локальных шин (подобных тем, которые установлены на графических станциях);

• создание специализированного быстродейст­вующего программного обеспечения.

Т ак, стандарт локальной шины AGP (Acceler­ated Graphics Port) обеспечивает пропускную способность шины канала - 533 Мбайт/с (по сравнению с 132 Мбайт/с для шины PCI), причем именно с такой скоростью смогут обмениваться данными процессор, видеоадаптер и оперативная память.

Разрешающая способность СТЗ оценивается двояко: по полю (пространственное разрешение) и амплитуде. Первая характеризует размер пикселя изображения и определя­ется частотой дискретизации устройства ввода (рис. 6.34). Чем тоньше деталь, тем выше соответствующая ей частота видеосигнала. Разрешение по элементам изображения ограничивается «муар-эф­фек­том», заметным у всех устройств ввода и вывода (особенно у мониторов и сканеров). Он является проявлением интерференции волн и оп­ределяется критерием Най­квиста. «Муар-эф­фек­т» воз­никает, когда размер фрагмента изображения соответствует порогу разрешения.

Для телекамер на основе ПЗС и ФДМ разрешение по полю соответствует количеству элементов матрицы. Чем больше элементов разложения содержит матрица, тем выше разрешение системы в целом. Например, ФДМ свойственно невысокое пространственное разрешение  10⁴ (100100) элемен­тов (для СТЗ Insight 32, Англия или Hitachi Zosen Corp., Япония). Что касается ПЗС-камер, оно достигает (2 … 3) 10⁶ элементов и выше. При описании пространственного разрешения устройств используются разные единицы измерения. Так, в телевидении разрешающая способность измеряется в линиях (твл) на единицу длины, причем учитываются и белые и черные линии - твл/мм, в оптике учитываются только черные линии, а в вычислительной технике разрешение характеризуется количест­вом точек на дюйм (dpi). Следовательно, разрешение в 300 dpi соответствует 300 черным точкам на 1 дюйме, или 150 полосам на дюйме. Для устранения этого разночтения при определении разрешающей способности устройства используют тестовые таблицы и процедуры.

При выборе разрешения по амплитуде (уровней квантования видеосигнала) учитывают особенности зрения. Так, на основании физиологических исследований установлено, что человек не способен различить 2% изменения градаций серого тона. Другими словами, глаз распознает не более 64 уровней серого, что позволяет для качественной оцифровки полутонового изображения использовать 6-ти разрядный АЦП. Однако здесь есть два момента. Во-первых, для любого АЦП характерно наличие шума, уровень которого примерно соответствует его младшему разряду. Во-вторых, чувствительность глаза обладает логарифмической характеристикой, что позволяет ему различать в нижней части диапазона яркостей больше оттенков, чем в верхней. Технические устройства (сканеры и мониторы) имеют линейную характеристику, и поэтому для обеспечения необходимого разрешения малых яркостей требуется при дискретизации не менее 8 бит. В профессиональ­ных системах применяются 10-ти и более разрядные АЦП.

Как уже отмечалось, спектральная чувствительность глаза во всем диапазоне видимого света неодинакова. Она максимальна в области желто-зеленых тонов - примерно такая же, как и для серого цвета. Красные и синие тона различаются гораздо хуже. Обычно поступают просто - для каждой цветовой составляющей выбирают разрешение равное 1 байт, что и образует известную величину  16,8 миллионов цветов (256256256). Такое количество цветов намного превышает возможности человеческих глаз. Большинство людей различает приблизительно 128 цветовых тонов при 30 значениях насыщенности и 50 уровнях яркости. Это соответствует максимум 1283050 = 192000 цветам. Данный режим также получил название True Co­­lor, в отличие от упрощенного цветового режима с разрешением в 5 бит на цветовую составляющую и названного High Co­lor (32768 цветов).

6.4.1. Принципы хранения изображений

Запись больших объемов видеоинформации осуществляется на носитель, в качестве которого чаще всего используется магнитная лента шириной 8, 12,7 или 25 мм. Принцип магнитной записи был предложен и впервые осуществлен датским инженером В. Поульсеном в 1898 г. Он основан на способности определенных материалов, приобретать остаточную намагниченность  в результате воздействия магнитного поля. Чаще всего это поле создается универсальной магнитной головкой, непосредственно взаимодействующей с носителем и записывающей, воспроизводящей или стирающей видеоинформацию. Магнитная головка представляет собой сердечник из магнитомягкого материала с нанесенной на него обмоткой. Материал сердечника (пермаллой, феррит и др.) характеризуется высокой магнитной проницаемостью  и низкой коэрцитивной силой. Сердечник содержит зазор, ширина которого составляет 0,1 … 10 мкм. При записи в обмотку магнитной головки подают ток записываемого сигнала I_c, который намагничивает сердечник и возбуждает в области зазора магнитное поле рассеяния. Поле пронизывает носитель, движущийся через область зазора и намагничивающий его в соответствии с сигналом. Принцип считывания информации (воспроизведения) мало отличается от ее записи. Как известно, зависимость остаточной намагниченности  носителя от напряженности поля H нелинейна. Для ее линеаризации в магнитную головку наряду с током сигнала I_c подается ток подмагничивания I_п, частотой в 4 …6 и амплитудой в 6 … 8 раз выше наибольшей частоты сигнала. В этом случае зависимость становится практически линейной до значений I_п = (0,3 … 0,4) I_нас, где I_нас - ток записи, соответствующей магнитному насыщению носителя.

Р азличают аналоговую и цифровую запись изображений. При аналоговой записи, сигналы записываются на дорожки продольно, поперечно и перпендикулярно направлению движения ленты (рис. 6.35). В первом случае, разноименные магнитные полюса участков расположены на одной и той же стороне рабоче­го слоя (рис. 6.35а). Поперечный вид записи реализуется путем формирования строчек остаточной намагниченности на ленте подвижными магнитными головками, переме­щающимися перпендикулярно ей с большой скоростью (рис. 6.35б). При этом строчки записи уже не оказываются строго поперечными, а имеют некоторый наклон в сторону движения ленты. Разновидностью поперечного вида записи является наклонно-строчный (диагональ­ный) вид, когда магнитные дорожки располагаются под острым углом к направлению движения ленты. Этот вид записи, появившийся в 60-х годах ХХ века получил особое распространение при записи телевизионных сигналов. Его существенной особенностью явилась возможность записи на одной строке носителя целого телевизионного поля. (Для сравнения: при поперечной записи на одной строке можно было записать всего 15 … 20 твл).

Одной из основных проблем, возникающих при записи видеоизображений, является необходимость передачи широкополосного видеосигнала без искажений. Как известно, при стандарте 625 строк в кад­ре и передаче 25 кадр/с полоса частот видеосигнала располагается в пределах 0 … 6 МГц. Минимальная длина волны , которую удается записать в совре­менной промышленной аппаратуре магнитной за­писи, лежит в пределах 0,3 … 2 мкм. Следовательно, для записи сигнала с частотой f_max = 6 МГц при дли­не волны, например, 2 мкм необходима отно­сительная скорость носителя и головки v_отн =  f_max  12 м/с. Такая весьма высокая относительная скорость достигается, главным образом, за счет быстрого вращения магнитных головок, а также использования нескольких магнитных головок (2 … 4), поскольку значительных скоростей протяжки v_л магнитной ленты достичь очень сложно. Обычно, v_л  40 см/с. Однако, и при таких скоростях движения носителя, возникают аэродинамические эффекты, существенно ухудшающие качество записи и воспроизведения. Поэтому, вместо непосредственной записи изображения на носитель, используют метод ЧМ, при которой видеосигнал модулирует некоторую несущую частоту f_н = (1,1 … 1,5) f_max. Спектр записываемых частот в этом случае переносится в более высокочастотную область, уменьшая, тем самым, наибольшую длину записываемых волн . Недостатком такого подхода является расширение необходимой полосы частот, которая для видеосигнала (0 … 6 МГц) увеличилась до 0,5 … 11 МГц.