Prelucrarea semnalelor video in vederea reducerii distorsiunilor

Prelucrarea semnalelor video in vederea reducerii distorsiunilor

1.1. Corectia de apertura

Camera produce semnalul video de luminanta caracterizat printr-o frecventa maxima. Se stie ca frecventele superioare redau detaliile fine, iar distorsiunile de apertura sunt cele care limiteaza posibilitatea redarii detaliilor fine din imagine.

Aceasta restrangere este produsa de obiectiv, dar si de dispozitivul videocaptor. Un obiectiv, de fapt, transforma imaginea unui punct intr-un cerc de difuzie stabilind puterea de rezolutie, care va fi cu atat mai mare cu cat aberatiile de sfericitate si cromatice ale lentilelor sunt mai mici si cu cat deschiderea relativa a obiectivului este mai mare. Dispozitivul videocaptor de asemenea limiteaza frecventa video maxima (puterea de rezolutie). La tubul videocaptor, fasciculul de electroni cu care se face analiza succesiva a elementelor imaginii are, chiar la o focalizare puternica, o sectiune (grosime) finita, neputandu-se obtine un punct de analiza fara dimensiuni. Cu cat aceasta suprafata a punctului rezulta mai mica, cu atat redarea detaliilor fine este mai buna, ducand la cresterea frecventei video maxime, care ramane totusi limitata. Este necesara atunci corectia de apertura, care imbunatateste redarea detaliilor fine prin marirea amplificarii semnalului din zona frecventelor video superioare.

In cazul senzorului de imagine de tip CCD un element de imagine este un pixel, iar dimensiunile finite ale acestuia stabilesc frecventa video maxima. Rezulta si in acest caz ca este necesara aplicarea corectiilor de apertura, care se realizeaza pe orizontala si pe verticala, intrucat un pixel are dimensiunea pe orizontala si pe verticala de aproximativ 9 μm. Pentru un semnal electric de videofrecventa, o tranzitie de la alb la negru (sau invers) nu se poate face instantaneu, ci are o durata determinata de durata semnalului fumizat de un pixel al CCD-ului. Aceasta perioada determina frecventa video maxima, care va fi cu atat mai mare cu cat tranzitia semnalului este mai rapida. Corectia de apertura urmareste micsorarea timpului de tranzitie, care se poate realiza daca la semnalul initial se adauga derivata a doua a acestuia, realizandu-se de fapt o crestere a amplificarii la frecvente inalte. Se poate considera ca se obtine un semnal apropiat de derivata a doua daca se folosesc linii de intarziere cu timpi de intarziere egali cu durata unui pixel sau a doi pixeli – realizandu-se corectia de apertura pe orizontala – si linii de intarziere cu timpi de intarziere egali cu durata unei linii de explorare (64 μs) – in cazul corectiei de apertura pe verticala. In cazul semnalului video digital, dupa conversia analog-numerica se realizeaza corectia de apertura care este inserata numai pe calea de semnal Y.

Asa cum s-a aratat, corectia caracteristicilor de apertura in directie orizontala trebuie realizata cu ajutorul unor corectoare care sa ridice amplitudinea componentelor de frecvente inalte si care sa aiba caracteristica de faza liniara. O schema bloc a unui asemenea sistem este redata in figura urmatoare:

y(n)

x(n)

Z

a)

y(n)

x(n)

Z

11

Z ZZ

b)

Figura 9.1. Filtru corector : a) original; b) transformat

Metoda care aproximeaza caracteristica spectrala a elementului de analiza sub forma :

A()=e [1 ++] (9.1)

(in care se determina din relatia A() = ), trebuie sa aiba pentru corectie o caracteristica de forma:

H()= 1 + (9.2)

Efectul corectiei este ilustrat in domeniul timp prin scaderea din semnalul de corectat a diferentialei a doua din acelasi semnal. In acelasi mod se scoate diferentiala a patra s.a.m.d. Prin aceasta, durata frontului semnalului corectat va fi mai mica, ceea ce echivaleaza cu cresterea amplitudinii frecventelor inalte. La realizarea practica trebuie sa se tina seama ca semnalul h(t) trebuie intarziat inainte de insumare cu o durata egala cu cea a intarzierii in calea de prelucrare a semnalului h(t).

Corectia de apertura trebuie sa se realizeze si in directie verticala . In figura 9.3 se da schema unui filtru digital care realizeaza corectia bidimensionala de apertura. Schema corectiei orizontale contine doua elemente de intarziere si un sumator care sumeaza, respectiv, cu ponderile  -1/4 , 1/2 si –1/4 , semnalul neintarziat, intarziat cu si intarziat cu 2. Caracteristica de frecventa a filtrului (corectorului) este:

H(j) = - = (9.3)

Figura 9. 2. Ilustrarea fenomenului de corectie diferentiala de apertura in domeniul timp

K   

-    -

T T U

U

-- K

Figura 9.3. Schema functionala a corectorului bidimensional de apertura

Componentele spectrale inalte H se adauga in sumatorul , intr-o proportie determinata de coeficientul K, semnalului de intrare , intarziat cu .

Corectia pe verticala se realizeaza in mod asemanator, cu deosebirea ca semnalele supuse ponderarii trebuie intarziate pe durata unei linii, T , ceea ce implica folosirea unei memorii de capacitatea unei linii TV. Componenta de apertura verticala se adauga la semnalele de intrare () intr-o proportie determinata de coeficientul K. Gradul de corectie poate fi modificat cu ajutorul coeficientilor K (pe orizontala) si K( pe verticala ). Rezulta ca filtrul digital este de tip nerecursiv.

Metodele de corectie pe orizontala prezentate mai sus se folosesc si la corectia de frecventa a canalului de inregistrare/redare al magnetoscopului (sau videocasetofonului) precum si la corectia caracteristicii de frecventa a cablurilor coaxiale (corectoarele de cablu ) .

1.2. Corectia distorsiunilor de gamma

Distorsiunile gamma sunt distorsiuni de gradatie de luminanta, adica distorsiuni de neliniaritate in redarea scarii de gri ale intregului lant de televiziune care incepe cu dispozitivul videocaptor si se termina cu dispozitivul video reproducator. Luminanta maxima a imaginilor care vor fi captate poate fi mult mai mare decat luminanta maxima realizata pe ecranul unui cinescop. Cand o imagine captata contine zone cu mari diferente de luminanta    – situatie valabila cand se capteaza un subiect, iar obiectivul este indreptat spre sursa de lumina – atunci distorsiunile imaginii reproduse sunt chiar mai suparatoare decat limitarea spectrului de frecventa al semnalului video. Tubul cinescop nu va reproduce corect valorile luminantelor si nu va reda fidel nici valorile contrastului. Caracteristica de transfer a senzorului de imagine arata dependenta dintre luminanta imaginii de captat si semnalul electric video furnizat. Se constata ca gradatiile mai luminoase din scara de gri sunt comprimate, iar cele intunecate sunt expandate. Caracteristica de transfer a tubului cinescop arata dependenta dintre semnalul video si luminanta ecranului. Se constata ca gradatiile mai luminoase sunt puternic expandate, iar cel intunecate sunt puternic comprimate. Pentru o redare corecta a gradatiilor de luminanta trebuie introdus pe calea semnalului video un corector de gamma – un amplificator cu amplificare controlata, care trebuie sa actioneze ca si senzorul de imagine, adica pentru gradatii mai luminoase din scara de gri sa produca o comprimare (lucru realizat prin scaderea amplificarii pentru nivel mare de tensiune la intrare), iar pentru gradatii mai intunecate sa produca o expandare (lucru realizat prin cresterea amplificarii pentru un nivel mai mic de tensiune la intrare). Pentru o camera unde semnalul video este digital, valoarea acestuia la un moment dat, reprezentata de un cuvant de cod de 8 biti, este de fapt adresa unei memorii de tip ROM care are inmagazinate 2⁸ = 256 cuvinte de cod, tot de 8 biti, care constituie date si care corespund valorilor de semnal video corectat. Cuvantul de cod citit din memorie reprezinta valoarea din acel moment a semnalului video cu corectie de gamma, iar adresa acestuia reprezinta semnalul video necorectat. Corectia de gamma se realizeaza pe calea de semnal Y si pe cele doua cai croma. Este posibil ca dupa corectia de apertura de pe calea Y sa urmeze corectia gamma, utilizand o memorie ROM GAMMA. Simultan, se realizeaza corectia de gamma si pe cele doua cai digitale de crominanta, utilizandu-se inca doua memorii de tip ROM GAMMA.

Figura 9.4. Modificarea nivelurilor tensiunii de iesire in cazul corectie gamma

1.3. Corectia de zgomot

Imaginile de televiziune sunt insotite adesea de zgomot, care apare fie de la sursele de semnal (camere videocaptoare, magnetoscoape etc.), fie in canalul de comunicatie. Nivelul zgomotului poate fi micsorat prin filtrarea semnalului. Principial, filtrarea se poate face spatial sau temporal. Filtrarea spatiala nu se foloseste, deoarece conduce la reducerea rezolutiei pe orizontala si pe verticala. Filtrarea temporala se bazeaza pe corelatia puternica intre doua cadre transmise succesiv (imaginile a doua cadre succesive difera foarte putin). In cazul unei imagini fixe, spectrul semnalului are o structura discreta, in care distanta intre doua componente spectrale este egala cu frecventa cadrelor (25 Hz in standardul nostru). In schimb, densitatea spectrala a zgomotului este aceeasi in toata banda de frecventa a semnalului. Folosirea filtrelor pieptene, care sa aiba maxime la frecvente multiplu de 25 Hz, la care este concentrata energia principala a semnalului de imagine, permite eliminarea zgomotului aflat intre componentele semnalului de imagine .

La transmiterea imaginilor mobile sau la schimbarea imaginilor apare un fenomen de pendulare a liniilor spectrale fata de pozitia de repaus, care este sub 10 Hz. Pentru a elimina distorsionarea imaginilor cu miscari, filtrele pieptene se construiesc cu largime de banda controlata de gradul de miscare al obiectelor din imagine.

Filtrul pieptene folosit este de tip recursiv adaptiv de ordinul unu, in care se foloseste intarzierea cu un cadru TV (Figura 9.5.)

Scriind ecuatiile:

S(Z) = bX(Z) + ( 1-b )S(Z)*Z (9.4)

Y(Z) = aX(Z) + ( 1-a )ZS(Z) (9.5)

Obtinem functia de transfer a filtrului digital recursiv :

H(Z) = (9.6)

Inlocuind in aceasta expresie Z = coswTc + jsinwTc, in care Tc este durata unui cadru TV, obtinem caracteristica amplitudine-frecventa a filtrului :

H(f) =      (9.7)

Coeficientii a si b iau valori intre 0 si 1 si determina gradul de filtrare, asa cum se vede din figura 9.6. Valorile coeficientilor sunt determinate de detectorul de miscare: pentru imagini statice sau slab mobile avem a = b = 0,25 (curba 3) sau a = 0,25 , b = 0,5 (curba 4) ; pentru imagini mobile avem a = b = 0,5 (curba 2) sau a = b = 0,75 (curba 1) .

a

b S(Z)1-a

Z

X(Z) Y(Z)

1-b

Figura 9.5. Structura filtrului digital recursiv pentru corectia de zgomot

Figura 9.6. Caracteristicile amplitudine-frecventa ale filtrului din figura 9.5.   

In figura 9.7. este prezentata structura unui corector de zgomot in care prelucrarea se face digital, ceea ce implica prezenta convertoarelor A/D si D/A , daca in exterior se lucreaza cu semnal analogic .

Filtrul recursiv de ordinul intai este format din dispozitivul logic de prelucrare si memorare de un cadru. In dispozitivul logic de prelucrare au loc operatii de adunare si de inmultire. Vom remarca faptul ca realizarea memoriei este mult mai simpla decat in alte echipamente (sincronizator, mixer etc.), deoarece nu necesita accesul operativ la memorie, ea fiind folosita doar ca element de intarziere. In detectorul de miscare are loc compararea codurilor semnalelor digitale de la intrarea si iesirea memoriei si, in functie de diferenta obtinuta, se autoregleaza coeficientul optim de filtrare . Schema mai contine si blocurile de sincronizare si de comanda a memoriei

Imbunatatirea raportului semnal/zgomot depinde de deplasarea obiectelor din imagine si de raportul semnal/zgomot al semnalului de intrare. Atenuarea medie a zgomotelor este de 12 dB.

Figura 9.7. Structura unui corector digital de zgomot

1.4. Corectia distorsiunilor temporale (Time Base Corector)

Distorsiunile temporale reprezinta modificarea scalei de timp a semnalului de televiziune in raport cu scala de timp a semnalului de referinta. Acestea apar pe ecran sub forma de distorsiuni geometrice, deplasari sau ruperi de linii de rastru, curburi sau zimti ale contururilor verticale si tremurari ale unor portiuni din imagine. De regula, distorsiunile temporale apar in procesul de inregistrare-redare a semnalului de televiziune pe banda magnetica. Marimea acestor distorsiuni depinde de sistemul de inregistrare-redare si de regimul de lucru: normal, incetinit, accelerat.

Pentru a nu avea distorsiuni temporale este necesar ca, la redare, durata intre doua elemente de imagine sa fie aceeasi cu cea de la inregistrare. In realitate, insa, aceasta conditie nu poate fi respectata, din cauza ca vitezele de deplasare ale capului magnetic fata de banda magnetica sunt diferite la inregistrare si la redare. Cu toate ca se folosesc sisteme automate de reglare a vitezei servomotorului magnetoscopului, distorsiunile temporale raman cu mult peste durata admisa in televiziunea in culori (sub 5 ns).

Distorsiunile temporale pot ajunge pana la cateva microsecunde la inregistrarea transversala, cateva zeci de microsecunde la inregistrarea oblica – pe linii, si cateva sute de microsecunde la redare cu viteza diferita de cea nenominala.

Pentru reducerea distorsiunilor temporale sub valoarea admisa (5 ns) se foloseste corectorul bazei de timp (TBC – Time Base Corector). Distorsiunile temporale se determina prin abaterea temporala si de faza a pozitiei impulsurilor de sincronizare si a salvelor purtatoarei de culoare fata de semnalele de referinta de sincronizare. Unele echipamente mai sofisticate pot corecta diferenta dintre erorile temporale ale liniilor succesive.

Au existat si TBC-uri analogice ce foloseau linii de intarziere de banda larga cu intarzierea reglabila, dar au fost abandonate deoarece noile variante digitale de TBC-uri au performante mult mai bune.

Structura generala a corectoarelor digitale este aceeasi si are la baza urmatoarele procese:

conversia analog-numerica a semnallului video;

inscrierea in memorie cu tactul obtinut din semalul video initial;

corectia erorilor prin stocarea in memorie si citirea datelor cu un tact generat intern foarte exact;

conversia din numeric in analogic.

Figura 9.8. Corector digital al distorsiunilor temporale

Conversia analog-numerica si inscrierea in memorie a semnalului video digital se fac cu un semnal de tact, sincronizat de informatia de sincronizare continuta in semnalul analogic de la intrare. Citirea memorie si conversia numeric-analogica se fac sincron cu tactul produs de o sursa stabila locala (generator de mare precizie termostatat). In acest fel, semnalul de la iesire va fi fazat cu semnalul de sincronizare local si va fi lipsit de distorsiuni temporale. Semnalele de citire si scriere se aplica memoriei prin intermediul unui dispozitiv de comanda.

Dintre metodele de obtinerea semnalului de tact, sincron cu semnalul de intrare si cu distorsiunile temporale ale acestuia, amintim pe cea a generatorului comandat, de frecventa 4x f_c ( f_c – fiind frecventa subpurtatoarei de culoare).

Folosind un convertor A/D pe 8 biti se obtine un raport semnal zgomot de circa 60 dB, care se pastreaza indiferent de marimea gamei de corectie. Exista corectoare digitale cu prelucrare pe componente si care folosesc convertoare pe mai multi biti oferind performante sporite.

Capacitatea si arhitectura memorie determina gama de corectie a distorsiunilor temporale, prezente in semnalul analogic de la intrare. Pot fi folosite registre de deplasare sau memorii  (RAM). De exemplu, la o capacitate a memoriei de 12 linii se obtine o gama a corectiei de ± (n-2)/2, cu o intarziere proprie de n/2 linii, ceea ce reprezinta 3 linii pentru o compensare de aproximativ 32ms (T_H /2). In schimb, pentru o asemenea compensare este necesara doar o memorie RAM de capacitatea unei linii TV. In practica se folosesc capacitati de memorie mai mari chiar de 5 linii TV.

Blocului de corectii i se pot adauga si alte functii, cum ar fi compensarea “golurilor de semnal la citirea unei benzi” (drop-out), corectia neconcordantei dintre componenta de luminanta si cea de crominanta si chiar corectia de zgomot.

Refacerea lipsei semnalului video de pe banda, se realizeaza prin citirea unei linii anterioare in mod repetat, atunci cand a fost detectata lipsa semnalului pe caseta sau perturbatii ce nu respecta anumiti parametrii ai semnalului video. Unele magnetoscoape au o iesire separata prin care se transmite prezenta sau absenta semnalului pe banda.

Normele internationale pentru semnalul NTSC si PAL impun eroare de timp necorectata sa nu depaseasca ± (1…2) ns pentru semnalul de luminanta si ± (5…10) ns pentru semnalul de crominanta. Intrucat semnalul SECAM este mai putin sensibil la erorile de timp, se admit ± (7…12) ns, pentru semnalul de luminanta si ± (10…20) ns pentru semnalul de crominanta. Distorsiunile diferentiale de amplificare si faza trebuie sa fie sub 3 pentru majoritatea corectoarelor digitale.

Bibliografie

1.     Bhaskaran V., Konstantinides K. – Image and Video Compresion Standards: Algorithms and Architectures, Ed. Kluwer Academic Publishers, London, 1997

2.     Bojkovic Z., Toma C. I., Gui V., Vasiu R. – Advanced Topics in Image Compression Techniques, Politehnica University of Timisoara Publishing House, 1997

3.     Clarke R. J. – Digial Compresion of Still Images and Video, Academic Press, 1995

4.     Herben J. – Les Camescopes – Fonctionnement et maintenance, Ed. Dunod, Paris, 1994.

5.     Keith J. – Video Demistified, Harris, 1996.

6.     Luther A. C.: Digital Video in the PC Environment, McGraw-Hill Book Company, New York, 1991

7.     Mayer-Patel K., Rowe L. A. – Exploiting Temporal Parallelism For Software-only Video Effects Processing, Proceeding of The 6-th ACM International Multimedia Conference, Bristol, England, 12-16 September, pp. 161-169, 1998.Mayer-Patel K.,

8.     Mitrofan G. – Televiziune, de la videocamera la monitor, Ed. Teora, 1996.

9.     Mitrofan G. – Televiziunea digitala, Editura Academiei, Bucuresti, 1986.

10.  Mocofan M. – Echipamente de studio, Curs ODL, Universitatea Politehnica Timisoara,   http://odl.opendrum.utt.ro:8900

11.  Mocofan M. – Productie Audio Video, Curs ODL, Universitatea Politehnica Timisoara,   http://odl.opendrum.utt.ro:8900

12.  Murat T. – Digital Video Processing, Prentice Hall, 1995.

13.  Otesteanu M., Alexa F., Ianasi C. – Sisteme de inregistrare audio&video, Ed. de Vest, 1997.

14.  Ozer J. – Video Compression for Multimedia, Academic Press, London, 1995.

15.  Ratcliff, J. – Timecode - A User's Guide, Focal Press, 1996.

16.  Radoi M., Mateescu R, Basoiu M. – Videocasetofoane, Editura Tehnica, Bucuresti, 1987.

17.  Rowe L. A. – A Multicast Control Scheme for Parallel Software-only Video Effects Processing, Proceeding of The 7-th ACM International Multimedia Conference, Orlando, SUA, 30 october - 5 November, pp. 409-418, 1999.

18.  Rumsey F., Watkinson J. – Digital Interface – Handbook, Focal Press, 1995.

19.  Tarnai E. J. – Digital Television, Bell-Northern Research, 1994.

20.  Teodorescu C. – Videocamere, Ed. Teora, 1998.

21.  Watkinson J. – Compression in Video and Audio, Focal Press, London, 1995.

22.  Watkinson J. – An Introduction to Digital Video, Focal Press, London, 1994.

23.  Watkinson J. – The Art of Digital Video, Focal Press, London, 1994