Диссертация (Методы и устройство формирования сигналов в цифровых видеоинформационных системах), страница 4

При этом мозг человекареализует не только обработку поступающей видеоинформации (блок обработкивидеоинформации), но и обеспечивает управление зрительной системой в режимевидеоконтроля по цепям обратных связей (зрительного нерва) [4] .На рисунке 1.3, в виде структурной схемы, представлена модель,учитывающая известные особенности функционирования зрительной системычеловека.19ПССВВОСДЭФСВППЦДСПИЭБОО и КЭД и ИАИЭБУПБИЭУОПБФСУ и ОСУДПУАПУППРисунок 1.3. Модель функционирования зрительной системы человекНа рисунке 1.3 ВВ – входное воздействие, ОС - оптическая система,содержащая диафрагму Д, элемент фокусировки при проецировании объекта насветочувствительную поверхность ЭФ, светопровод СП, светочувствительнаяповерхность СВП, в которой выделены пространственно-цветовой дискретизаторПЦД и элементы дифференциального и интегрального анализа видеоинформацииЭД и ИА, блок относительной обработки и кодирования видеоинформации БОО иК,блокуровнейпамятиБУП,состоящийизуровнейоперативной,долговременной, ассоциативной, подсознательной и т.д.

уровней памяти, блокформирования сигнала управления и обратных связей БФСУ и ОС, блокисполнительных элементов БИЭ, отдельные исполнительные элементы ИЭ.При работе зрительной системы имеет место перестройка характеристикзрительной системы в зависимости от сигналов управления, поступающих наотдельные элементы представленной структурной схемы. В ОС следует покрайней мере выделить два элемента с адаптивной перестройкой. Имеют месторегулирование размера диафрагмы и автоматическая перестройка плоскостифокусировки зрения в пространство локализации объекта, подвергнутоговидеоконтролю. Уровень интегральной адаптации существенно влияет начувствительность и эквивалентную протяженность частотных характеристик20зрительной системы в пространственном, временном и цветовом направлениях,которая определяет разрешающуюспособность глаза в соответствующемнаправлении.

Следует отметить обратную тенденцию регулирования этиххарактеристик. Активизация чувствительности, возникающая с падением среднейосвещенностиконтролируемыхобъектов,связанасвозрастаниемвесаинтегральной обработки видеоинформации и, следовательно, с уменьшениемразрешающей способности глаза во всех направлениях (пространство, временноеи цветовое направления). В режиме динамической адаптации характеристикизрительной системы не оптимизированы. Как уже отмечалось выше, различаетсянесколькоучастковадаптационнойперестройкирежимаработыглаза:быстровременной, средневременной, долговременной. Процесс адаптации ксредней освещенности завершается примерно за 30-40 минут. После завершенияадаптации характеристики зрения оптимизируются для данных конкретныхусловий видеоконтроля. [4]Иллюстрационно на рисунке 1.4 показана пространственная частотнаяхарактеристика глаза (аргумент - пространственные частотыx ,yвпериод/градус) и ее сечение при  y =0, а на рисунке 1.5 - временная частотнаяхарактеристика глаза (аргумент Гц).Рисунок 1.4.

Пространственная частотная характеристика глаза21Рисунок 1.5. Временная частотная характеристика глазаТакимобразом,вусловияхмалыхяркостейиосвещенностейконтролируемых объектов зрительная система работает как многомерныйинтегратор видеоинформации. При больших освещенностях (яркостях) объектовпроявляются дифференциальные свойства зрения человека.

Такую спецификуработы зрения следует учитывать как в пространстве кадра, так и в межкадровоми цветовом направлениях. [4]Длязрительнойнаблюдателясистемыявляютсявесьмауказанныеспецифичнымивышеэффектыподействиюнадифференциальноговидеоконтроля. Классическими экспериментами (Брок и Зульцер, 1902 г.) былодоказано, что зрительная система имеет различные характеристики привосприятии экранов с постоянной и кратковременной освещенностью. Оказалось,что дифференциальные эффекты проявляются только при освещенностяхбольших 30 лк.

За счет дифференциальных свойств восприятия экраны скратковременной(≈0,05сек)экспозициейоценивалисьнаблюдателямиприблизительно в 5 раз с большей освещенностью по отношению к фактической(экран с постоянной освещенностью).Таким образом, чередования длительных изображений слабоосвещенныхсцен с кратковременными засветками вызывают дискомфорт. Рассмотримпричиныданногоявления.Прислабыхосвещенностяхвозрастаетчувствительность анализирующих элементов глаза и по цепи обратной связиуспевает осуществиться регулировка (увеличения) размера зрачка (диафрагмы).22Поэтомукратковременная вспышка освещенности экрана, в данном случае,является слепящей.Важными элементами функционирования зрительной системы являютсярегулировки размера зрачка, формы хрусталика, прерывания светового потока,движения глаз, тремор, адаптационные явления, наличие области ясного видения.Необходимо учитывать и наличие в зрительной системе пространственной ицветовойэлементами.дискретизацииПриэтомвходногоизображенияобеспечиваетсяполноесветочувствительнымиподавлениеискаженийдискретизации за счет выбора определенного распределения, определеннойчувствительности и размера распределенных светочувствительных элементов впределах области “ясного видения” и периферии.Чувствительностьэлементадискретизацииопределяетсянетольковременем засветки, но и размерами, которые тоже могут регулироваться.

Поэтомудля наблюдения слабоосвещенных сцен характерно сочетания увеличениячувствительностииуменьшенияразрешающейспособностизрениявпространстве кадра и, в межкадровом и цветовом направлениях.Дифференциальнаяспецификавосприятияцветавыявляетсяприконтрастировании дополнительными цветами. При этом тремор определяет такжеконтрастирование границ и мелких деталей при наблюдении объектов данногоцвета по отношению, например, к фону с дополнительным цветом.Соответственнодискомфортунаблюдателяможетвозникатьприкратковременных изменениях цвета изображения от воспроизводимого кдополнительному.Дифференциальный механизм работы здесь тот же: при освещенностяхзаданным цветом возрастает чувствительность элементов к дополнительному.К элементам дифференциальной обработки видеоинформации могут бытьотнесены тремор, сканирование изображений, прерывания светового потока,движения глаз и др.

Спецификой здесь является относительное контрастированиеконтролируемых объектов за счет дискретных смещений области “ясноговидения” на смежные участки контролируемой сцены. При этом имеют место23последовательные релаксационные изменения контролируемой видеоинформациис многократным возвращением на контролируемый объект. Это обеспечиваетоптимизацию характеристик дифференциального восприятия, свойственныхзрительной системе человека.Элементамипрослеживанияинтегральнойдвижущихсяобработкивидеоинформацииявляютсяобъектов,регулированияразмеровсветочувствительного элемента, фиксации глаз, области “ясного видения” и др.Управление зрительной системы реализуется на основе накопления иклассификации информационных характеристик объектов в блоке уровнейпамяти.

Накопленная человеком видеоинформация позволяет адаптационнооптимизировать характеристики зрительной системы, исключает восприятиенеизменной или узнаваемой видеоинформации. С другой стороны изменениямиявляются и прерывания накопленной видеоинформации. По цепям обратныхсвязей стимулируется дифференциальный эффект “подчеркивания ожидаемой”видеоинформации в случаях ее относительно продолжительного отсутствия [4] .1.2Алгоритмыэнтропийногокодированияприсжатииспектравидеоинформационного сигналаЭнтропия определяется количеством информации, которое содержится всимволе a, имеющем вероятность P.При этом информация символа, имеющего вероятность P, определятся формулой[5, 90]:I  P    log 2 P , бит.(1.1)Под символом здесь подразумевается один из отличающихся друг от другаэлементов, полный набор которых, образует сообщение, которое формируетсянекоторым источником сообщений.Общая совокупность символов, доступных источнику при формированиисообщений – алфавит А={а1, а2, … , аN}.

Вероятность появления в сообщениитого или иного символа из совокупности соответственно равна (P1, P2, … , PN).24Имея такие данные, можно определить энтропию этого алфавита в соответствии сформулой [5, 90]:NH    Pi log 2  Pi  , бит(1.2)iЭнтропия сообщения, которое образовано из таких символов, будетопределяться аналогичным образом. Соответственно для данного случая будетверно сказать, что энтропия сообщения – это мера количества информациисодержащейся в этом сообщении.Своего максимального значения энтропия будет достигать в случаеравновероятностного появления всех символов, и приобретать меньшие значенияпри резко отличающихся вероятностях появления символов [5]. Для этого вкачестве примера можно рассмотреть энтропию для сообщения, алфавит которогосостоит из двух символов, т.е.

двоичного сообщения. К тому же, источник такихсообщений имеет особое значение, т.к. с его помощью можно описать процесспередачи данных. Итак, на рисунке 1.6 видно, что максимум энтропии приходитсяна случай, когда вероятности обоих символов равны 0,5 и минимум для случая,когда один из символов не появится совсем, а другой будет появляться в 100%случаях.С практической точки зрения это говорит о том, что в случае максимальногозначения энтропии избыточность сообщения равна 0, при этом сжать этосообщение более не возможно. В случае резко отличающихся вероятностейсообщений,значениеэнтропииуменьшается,всообщениипоявляетсяизбыточность и соответственно возможность его сжатия.

Таким образом,пользуясь энтропией, можно определить теоретический предел, до котороговозможно сжать сообщение и к которому следует стремиться подборомоптимального кодера.25Рисунок 1.6. Энтропия сообщения состоящего из двух символьного алфавитаВозьмем алфавит символов А=(а1, а2, а3, а4, а5, а6), вероятности которыхсоответственно равны 0,3; 0,2; 0,2; 0,1; 0,1; 0,1. Вероятность того, что источниксообщений сформирует сообщение вида а1 а1 а1 а2 а2 а3 а3 а4 а5 а6 будет равна P =0,33 × 0,22 × 0,22 × 0,1 × 0,1 × 0,1 = 1,44 × 10–7. Информация, которую содержитданное сообщение, соответственно равна I  P   –log 21,44  10–7  22,73 . Число22,73 описывает наименьший объем информации, содержащийся в сообщении, иколичество бит, требуемых для кодирования этого сообщения.