книги / Микропроцессоры в телевидении
..pdfти равных значений функции f(a).=const в точке а1' и показывает направление наибыстрейшего роста функции /(а) [98].
При поиске экстремума функции f(a) рационально использо вать прямой метод покоординатного спуска. Интервал, внутри которого имеется глобальный экстремум минимума, находится пе ребором значений целевой функции в девяти точках через 32 дис крета. Затем регулировочная кривая полиномиально аппроксими руется по трем точкам — точке, где отсчет целевой функции ми нимален, и двум ее окружающим [98].
В состав МПС автоматической настройки, реализующей рас смотренный выше метод (рис. 5.15), входят ТВ камера 7, камер ный канал 2, создающие на выходах видеосигналы Ew, ER, Ев (на рис. 5.15 даны обозначения (Jw, (J/c, Uв и т. д.).
Оптический тест 3 обеспечивает все виды регулировок в ка мере и камерном канале. Для выполнения балансов черного, бе лого и серого с одинаковой точностью необходимо выделить по трети площади теста для черных, белых и серых деталей. Среди них должны быть относительно крупные детали для снижения влияния апертурных и геометрических искажений на этот вид ре гулировок. Для выявления геометрических искажений в канале W, совмещения растров цветоделенных каналов, наилучшей фо кусировки по полю изображения С4 необходим тест с равномерно распределенными по полю кадра резкими яркостными перехода ми (мелкие детали). В связи с тем, что в системе применен по сути дела корреляционный метод, необходимо, чтобы основной
Рис. 5.15. С труктурная схема микропроцессорной системы автоматической н а стройки кам ер и камерны х каналов цветного ТВ:
ген ер атора базисн ы х ф ун кц ий ;
141
пик взаимно-корреляционной функции совмещаемых изображений был существенно больше остальных. Этим всем требованиям удовлетворяет оптическое изображение С1, соответствующее ви деосигналу, имеющему вид псевдослучайной последовательности
с тремя или более уровнями.
Такой видеосигнал создает генератор эталонного сигнала 4. Программно управляемый коммутатор 5 формирует из четырех поступающих на его входы сигналов Еэ, Ew, ER и Ев следующие совокупности сигналов: {Еа, Ew}, {Ew, ER}, {Ew , Ев}- В анали заторе 6 сравниваемые сигналы вычитаются, разностный сигнал подвергается нелинейному преобразованию, затем определяется модуль этого сигнала, полученный сигнал перемножается с ве совой функцией №(*) и интегрируется в пределах длительности ТВ кадра. Анализатор аппаратно реализует целевой функционал К. Значения целевой функции АЦП преобразует в 8-разрядный код, поступающий на шину данных в моменты, определяемые по ступающими по шине управления сигналами. Значение целевой функции читается микроЭВМ 7 с помощью интерфейса 8 и ис пользуется в ходе итеративного процесса поиска оптимума наст ройки. Генератор базисных функций 9 — это ПЗУ, в котором прошиты коды, соответствующие отсчетам полиномов Лежандра. На выходной 20-проводной шине ГБФ образуются синхронные со
строчной |
и |
кадровой развертками аналоговые сигналы вида |
||
Q h ( x ) и Q i ( y ) |
положительной |
и |
отрицательной полярностей. |
|
Выходные устройства 10— |
12 |
поделены на три группы. Пер |
||
вая группа |
состоит из формирователей корректирующих сигна |
лов. Устройства 10 выполняют операции перемножения сигналов Qfc(x), Qi{y) и полученных в процессе поиска экстремума мини мума функционала К коэффициентов ам, а также суммирования взвешенных сигналов. В устройствах 11 перемножаются коэффи циенты аоо на постоянные напряжения и формируются аналого вые управляющие сигналы. В соответствии с командами от мик роЭВМ. устройства 12 выдают сигналы коммутации. Сигналы, сформированные выходными устройствами, подаются в блоки ка меры и камерного канала. С пульта управления 13 оператор взаи модействует с системой автоматической настройки.
Рассмотренная МПС позволит за время около 90 с полностью настроить ТВ передающую камеру перед началом передач, уточ нить настройку камеры в перерывах между передачами за 18 с, сбалансировать уровни черного и белого, а также сцентрировать растры за 7 с. Испытания МПС совместно с ТВ передающей ка мерой КТ-178, развертки которой позволяют вводить все состав ляющие корректирующих сигналов, показали следующие резуль таты погрешности: в центральном круге диаметром 0,8Я (Я — высота кадра) — не более 0,02%, в круге диаметром Я — не более 0,05%, в трех углах — около 0,05% и в одном из углов — 0,2% [98J.
Метод координатного спуска, использованный в описанной выше системе автоматической настройки цветных ТВ камер, обес-
Г42
яечивает высокую точность настройки, наиболее прост в реали зации в виде программы микроЭВМ (объемы ОЗУ и ПЗУ мини мальны), но^ обладает невысоким быстродействием. Выигрывает по быстродействию метод наискорейшего спуска, так как направ ление поиска d/t=gft, где gk — вектор-градиент, составленный из первых производных целевого функционала !/7(а) по составляю щим вектора параметров а. Целевой функционал {102]
F<“)- I f {“.(*■?)-««(*,У)Г1+Рг—i~g>-+
—А/2 —Ь/2 |
1 |
L |
ОХ |
|
+ /7в — |
у) |
a ( x + f f r (x, |
у)у+Кя(х,у)+ |
|
+%ч(х> У)))^dxdy—m in, |
|
(5.3) |
где Л, Ь — высота и ширина ТВ кадра соответственно; рг, рл — коэффициенты пропорциональности; Лв, Кч, Кг, Кп — корректи рующие сигналы; б, ч, г, в — индексы «белое», «черное», «гори зонтальный», «вертикальный» соответственно.
В связи с тем, что целевая функция задана численно, для оп ределения /-й составляющей аппроксимация
gj(<*h)- К + 6jеу) —F(ah—8jej)]/2&it |
(5.4) |
тде оптимальный пробный шаг б=(4ео)П;1/3 выбирается из усло вия минимума ошибки аппроксимации, складывающейся из оши бок е0 квантования и отбрасывания Vj слагаемых тейлоровского разложения целевой функции lF(о). При аппроксимации коррек тирующих сигналов ортогональными полиномами шаг 6, тем больше, чем выше номер составляющей базиса. Число обращений к датчику целевой функции для набора вектора-градиента равно
2п+\ [102].
Дальнейшее повышение скорости настройки в методе Флетче р а — Ривса достигается путем использования при выработке нап равления поиска dft дополнительной информации о целевой функ ции, полученной на предыдущих (k—1)-й итерациях [105]. Преи мущества метода Флетчера — Ривса особенно проявляются при ^близких к квадратичным целевых функциях. В среднем время, затраченное на поиск минимума этим методом, на 25% меньше времени при использовании метода наискорейшего спуска. Пос ледние два метода требуют значительных объемов ОЗУ и ПЗУ
ине обеспечивают необходимой точности настройки.
Вметоде Ньютона направление спуска dfc=—Н~lkgiu где H_,ft — матрица, обратная матрице Гессе Н*, составленной из вторых
производных F(a) по координатам вектора параметров. Для квад ратичной целевой функции метод Ньютона сходится за одну ите рацию. Недостатком его является то, что необходимы набор и юбращение матрицы Н* размером пХ п и дополнительный объем ОЗУ для запоминания элементов обратной матрицы. Для набо ра матрицы Гессе методом конечных разностей требуется
143
п2+ л + 1 обращений к датчику целевой функции; примерно h3 арифметических операций затрачивается на ее обращение; объем ОЗУ для запоминания обратной матрицы равен п (п + 1)/2 байт. Так, при л=40 дополнительный объем ОЗУ составит 820 байт, время на набор и обращение матрицы Гессе соответственно рав но 66 и 20 с, что обычно неприемлемо [102].
Матрица Гессе для квадратичной целевой функции вида
(а, 0a) + (a, a)-f-c = min, |
(5.5) |
где а, а — векторы в пространстве параметров |
Rn; 0 — симмет |
ричная матрица размера пХп\ с — скалярная функция; <...> — знак скалярного произведения в пространстве с нормой L2, сов падает с матрицей 0.
Матрица 0 — клеточная (при базисе из ортогональных поли номов степени т). Вдоль диагонали этой матрицы располагает ся <7—m (m +l)/2 подматриц размером 4X4 и 2 r= 2 (m + l) под матриц размером 2x2. Подматрицы вне диагонали нулевые. Под матрицы размером 2X2 имеют вид
I |
vt |
0,5t/* II |
|
1 |
ОН |
|
|
|
|
|
vt |
|
|
|
(5.6) |
||||
8б.ч* |
|
0,5i>f || |
'.В £ |
0 |
i>J |
|
|
|
|
0,5i»| |
|
|
|
|
|
||||
Подматрицы |
размером |
4 x 4 являются |
клеточными |
матрицами |
|||||
2X2, элементы которых — сами матрицы 2x2, т. е. |
|
||||||||
Об.ч* |
ок>я * |
где 0к .я £= |
0,5 |
|
PvVi |
Рвъ |
(5.7) |
||
0к.я1 |
0г.в*+1 |
|
|
|
I |
РвЩII |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
Матрицы представляют функции связи смещенных по индек су на единицы параметров сигналов с корректирующими яркост ными и геометрическими искажениями [102].
Матрица 0 мало изменяется в ходе эксплуатации цветной ТВ камеры, элементы ее можно заранее вычислить или найти в про цессе самообучения системы автоматической настройки, затем определить 0-1 и занести в память микроЭВМ. Можно модифи цировать метод Ньютона путем исключения операции по набору и обращению матрицы Гессе в процессе настройки и выработки на каждой итерации направления поиска dh=—в-1£ь. Сходимость такого метода обеспечивается положительной определенностью мат рицы 0. Клеточная структура матрицы 0 значительно сокращает время на ее набор и обращение, а также объем ОЗУ для запоми нания элементов матрицы 0-1. В связи с тем, что при перемноже нии клеточных матриц их клетки можно рассматривать как эле менты этих матриц, обратная матрица б-1 также получится кле точной с подматрицами вдоль ее диагонали, обратными соответ ствующими подматрицами исходной матрицы [106]. Объем ОЗУ
для записи элементов матрицы б-1 равен числу ее |
отличных o r |
нуля элементов и, например, при п= 40 составляет |
80 байт. На |
бор матрицы б заканчивается после 161-го обращения к датчику целевой функции,
ш
Таблица 5.1
Метол
Гауоа — Зейдсля
Наискорейшего спуска
Флетчера — Ривса
Модифицированный
Ньютона
|
Число |
|
|
|
|
|
|
|
обра |
|
|
|
Продолжи тельность,с |
|
|
|
щений |
|
|
|
с |
Продолжи тельность настроЛкн.с |
|
|
ции |
|
|
|
|||
итера |
к дат |
|
|
|
|
|
|
чику |
| |
операций |
|
|
s s | |
|
|
ций |
цслс- |
|
|
|
|||
|
BOfl |
|
|
|
|
|
|
|
функ |
|
|
|
|
|
|
164 |
972 |
|
328 |
1I |
_ |
240 |
I 39 |
|
|
|
|
|
|
1500 |
|
3 ,9 |
342 |
|
2618 |
|
1,6 |
1000 |
15,3 |
|
|
|
|
|
|
2500 |
|
3 ,0 |
267 |
|
2725 |
|
1,6 |
1100 |
12,3 |
|
|
|
|
|
1 |
2600 |
|
1 м |
234 1 |
|
2565 . |
|
1100 |
10,9 |
|
|
|
|
|
|
2600 |
|
Точ
ность,.
•А
.1,6
2 ,2
2 ,7
0,7
Результаты моделирования различных методов нахождения минимума по казаны в табл. 5.1 [102]. Из результатов, приведенных в табл. 5.1, видно, что максимальную из всех методов скорость сходимости и точность настройки пока зал модифицированный метод Ньютона.
Алгоритм автоматической настройки одного канала камеры ЦТ, обеспечи вающий максимальное быстродействие и точность, приведен на рис. 5.16 [102].
Приведенный иа рис. 5.16 алгоритм можно применять при настройке цвет ной ТВ камеры по частным показателям качества
ь п |
Ь/2 |
|
Fj («/) - J |
j [И](х. р) + О] {kj (х, у)}]* dxdy = min, |
(5.8) |
—й/2—Ь/2
где И}{х, у) — искаженный сигнал, /е{ч, б, г, в); ОД-} — операторы ввода корректирующих сигналов в ТВ сигнал исполнительными звеньями системы: управляемыми усилителями, генераторами разверток и отклоняющими систе мами; Ь и А — горизонтальный и вертикальный размеры растра.
Для ускорения процесса настройки следует минимум ЕЦаД искать путем определения нулей ее частных производных по составляющим а,-< вектора па раметров dF,-/daj,=0. Если операторы ввода с точностью до постоянной с§ тождественны, то с учетом сказанного (5.8) сводится к решению системы из. s-f-1 уравнений [102]:
А/2 Ь/2 |
|
|
|
|
fjiiO’j t) — j |
J W j{x t y) + Cjkj(x, |
y)]cpi(x, y)dxdy = 0, |
(5.9). |
|
—A/2—b/2 |
|
|
|
|
где i=0,5; И)(х, |
y)+Cjkf (xt у ) —И')(x, у) |
— остаточный |
искажающий |
сигнал; |
При ортогональном базисе (5.9) распадается на s+1 |
независимых и линей |
ных относительно а*,- уравнений, каждое из которых решают имеющим нанвысшую скорость методом секущих. На каждом шаге итеративиого процесса (алг
оритм |
на рис. 5.17) |
точка следующего приближения функции |
|
« * |
= « ! — (eta - a |
i ) / i / ( / a - / , ) , |
( 5 .1 0 ) |
где /(« )» /i< (ajf), и Ч Ы ; /а=[|(а2). |
|
14S
Рис. 5.16. Алгоритм автоматической настройки одного канала цветной камеры
На первом шаге задают О] и а2 и 2 раза обращаются к датчику функция fu (a u ). На следующем шаге приравнивают Oi или а2 определенному на пре« дыдущем шаге итерации значению а* и 1 раз обращаются к датчику и вновь вычисляют в соответствии с соотношением (5.10). Итеративный процесс закан
чивается, |
если выполняется один из критериев останова |<н—1 л -И < в - илн |
|М<ео |
[102]. |
J46
Рис. 5.17. Алгоритм автоматического определения параметров коррекции кор ректирующих сигналов aji
Рассмотренный алгоритм учитывает свойства исполнительных звеньев системы автоматической настройки цветных ТВ камер. Наложенные условия тождественности с точностью до постоян ной Cj операторов ввода и ортогональности (а не ортонормироваяности) базисных сигналов легко выполнимы [102].
Остаточные искажающие сигналы И'^(х, у) и Я 'б{х, у) вы деляются вычитанием из ТВ сигналов от черного и белого тестобъектов соответствующих им эталонных сигналов. Сигналы И'г(х, у) и И'в{х, у) формируются широтно-импульсными моду лированными путем бинарного квантования ТВ сигналов от тестобъектов в виде чередующихся вертикальных или горизонталь ных черных полос на белом фоне с их последующим цифровым фазовым детектированием относительно эталонных сигналов Г102, 107].
, Особенно эффективно применять рассмотренный алгоритм для
формирования корректирующих сигналов |
импульсного базиса. |
При этом скалярные произведения (5.9) |
заменяются средними |
1 4 7
значениями остаточных сигналов в пределах зон, на которые раз бито поле кадра, и вычисляются параллельно, так что число дат чиков увеличивать не надо [102].
Применение процессора совместно с ЗУ позволяет создавать оригинальные твердотельные ТВ камеры для получения однокад ровых изображений. В качестве датчика видеосигнала в камере может быть использован матричный преобразователь свет—сиг нал, причем такой, что число чувствительных элементов в нем в 4 раза меньше числа элементов получаемого ТВ изображения [88]. Между выходным зрачком объектива камеры и фоточувствительной матрицей преобразователя свет—сигнал устанавливает ся электрооптический коммутатор на жидких кристаллах и зер кальных призмах, который делит световое изображение С1 на четыре квадрата и последовательно направляет каждый из квад ратов изображения на чувствительную матрицу преобразователя свет—сигнал. Выходной видеосигнал преобразователя последова тельно записывается в соответствующей области буферного ЗУ,, которое формирует полный ТВ кадр.
5.3. С О ЗД А Н И Е ВИ Д Е О Э Ф Ф Е К ТО В У С ТР О Й С ТВ А М И Н А М И К Р О П Р О Ц Е С С О Р А Х
Новым этапом развития ТВ вещания можно назвать примене ние цифровой аппаратуры в ТВ студиях. С точки зрения телезри телей, наибольший результат приносит аппаратура спецэффектов,, построенная на базе МП систем. Практически ни одна развлека тельная передача не обходится без демонстрации различных ви деотрюков.
Цифровые запоминающие устройства при записи изображения присваивают каждому его элементу соответствующий адрес. При считывании можно произвольно менять эти адреса и таким обра зом добиваться желаемого эффекта: введения одного изображе ния в другое; имитировать эффект многократного эха; показы вать одновременно несколько зеркальных отражений; изменять масштаб изображения; передвигать изображение; квантовать егона отдельные участки.
Главное при создании спецэффектов — разработать програм мы изменения адресов участков изображения. Показано [111, 112],. что широкий класс телевизионных видеоэффектов может бытьрассмотрен как результат геометрического преобразования исход ного изображения С4. Разработан [ИЗ] единый алгоритм гео метрических преобразований, позволяющий получать разнообраз ные видеоэффекты. Возможность формировать различные видео эффекты по одному и тому же алгоритму позволяет ^упроститьустройство управления блока видеоэффекта. Естественно, блок работает по единой программе.
Телевизионные видеоэффекты часто создают путем реализа ции плоских движений, преобразований подобия, аффинных,, проективных и нелинейных преобразований изображения С4 [112]-
148
Наибольшее число видеоэффектов можно сформировать путем проективных преобразований, так как остальные являются их частными случаями.
Проективное преобразование телевизионного изображения С4 определяется следующим образом [113]. Пусть в пространстве задана плоскость А (рис. 5.18), которой принадлежит исходное ТВ изображение С4, картинная плоскость В, предметная плос кость Г, перпендикулярная картинной плоскости В, и система координат X 'Y 'Z 'O ', ориентированная так, что оси О'Х и O'Y' принадлежат плоскости В и ось О'Х', кроме того, принадлежит плоскости Г. В плоскости А заданы система координат XOY, оп ределяющая положение телевизионного изображения на плоскос ти А, и система координат X AOA Ya, ось 0 АХА которой лежит на линии пересечения плоскостей А и Г, а начало координат 0А на ходится на оси O'Z' системы координат X'Y'Z'O'.
-Положение ТВ изображения, принадлежащего плоскости А, -относительно плоскости В характеризуется углом поворота плос кости А вокруг прямой I, принадлежащей плоскости В и парал лельной оси O 'Y' (угол а), углом поворота плоскости А вокруг оси 0 АХА (угол р), углом поворота системы координат XOY отно сительно системы XAOAYA (угол а) и значением смещения систе мы координат XOY относительно системы XAOAYA на плоскости А. Будем считать известными расстояние мехсду началами коор динат 0 '0,\(Z ) гг координаты центра проекции S0(x'о, у'о, Z 'Q) в
системе X'Y'Z'O '.
Задачу сформулируем следующим образом: требуется опреде лить соотношения, описывающие центральное проецирование то чек плоскости В (с известными координатами) на плоскость А i[113J. Однако в [114] показано, что построение центральной проекции исходного изображения, принадлежащего плоскости А, на плоскость В сопряжено со значительными искажениями исход ного изображения, вызванными конечной точностью вычисления
.значений адресов обращения в ЗУ. Поэтому проецирование плос кости исходного изображения А на картинную плоскость нецеле сообразно. Выходом из положения является введение новой плос кости Л, проходящей через точку 0 А и параллельной картинной плоскости В. Зададим на плоскости А систему координат XA0 AY д,
у |
которой ось 0 ЛУл параллельна оси О'Х', ось 0 ЛУд |
параллель |
на |
оси O'Y' [113]. |
|
|
Центральное проецирование точек картинной плоскости В на |
|
плоскость А представляется процедурой, содержащей |
два этапа. |
Т1ервый — центральное проецирование точек плоскости В на вспомогательную плоскость А и второй —; проецирование точек плоскости А на плоскость изображения А с изменяющимся от элемента к элементу направлением проецирования. Углы наклона проецирующего луча (от плоскости А к плоскости А), определя ющие это направление, задаются направлением данного луча на участке от центра проекции S 0 до тех точек картинной плоскос ти В, которые соответствуют точкам плоскости А, проецируемые
149