3. Применениецифровойфильтрациидляуменьшениязаметностишумов

Основнымиисточникамишумавтелевизионномсигналеявляютсяпреобразо­вательсвет-сигналивходнойкаскадтелевизионногоприемника.Действиешумовпроявляетсяввидеточекикрапинок,хаотическипоявляющихсявизображении.Помехи,возникающиевканалесвязи,такжемогутоказыватьподобноевоздейст­виенаизображение.Ещеодинисточникшумоввтелевизионномсигнале-аппа­ратурамагнитнойвидеозаписи.скоторойэтотсигналвоспроизводится.

Влияющиенаизображениешумылежатводнойполосечастотссигналамияркостиицветности,таккаквсе,чтонепопадаетвэтуполосучастот,отсекает­сяфильтромвусилителепромежуточнойчастотыизображения(УПЧИ).По­этому,чтобыуменьшитьспомощьючастотныхфильтовуровеньшумов,неухудшаяприэтомдругиепараметрыкачестваизображения,надоилиисполь­зоватьразличиявструктуреспектровполезногосигналаишума,илижедопус­катьподавлениевместесшумомнекоторыхчастотныхсоставляющихтелеви­зионногосигналатак,чтобыприэтомухудшениевизуально-воспринимаемогокачестваизображениябыловдопустимыхпределах.

Рассмотримвозможныевариантывыполненияфильтрациидляуменьшениязаметностишума.

Простейшийвариант-ограничениеполосычастоттелевизионногосигнала.Какизвестно,чемужеполосачастот,темменьШемощностьшума.Этотвари­антнеможетдатьхорошегорезультата,таккаквместесшумамибудутподав­ленывысокочастотныесоставляющиесигнала,чтоприведеткухудшениючет­костипогоризонталиирезкостиграницобъектов.

НежелательноиспользоватьипростойпространственныйФНЧ,которыйпо­

давляетвысокиепространственныечастоты,чтоухудшитчеткостьизображе­ниякакпогоризонтали,такиповертикали.Медиэнныйфильтрхорошоустра­няетточечныепомехи,нообработкаизображениясегопомощьюможетпри­вестикпотеремалоразмерныхконтрастныхдеталейизображения.

3-232865

------------------------------------

Значительнолучшиерезультатыдаетцифроваяфильтрациявовременипо­отдельностидлякаждогоэлементаизображениявкадре.Сущностьэтогова­риантапоясняетсярис.З.11.Входнойцифровойсигналx(n)умножаетсянако­

эффициентК(ОsКs1)исуммируетсясвыходнымсигналом,задержанным

ровнона1кадриумноженнымна(1-К).Задержканакадрсоответствуетза­

держкенаNкадр=fдТкадрэлементовизображения,гдеfд-используемаячастотадискретизации,ТкадР-периодкадровойразвертки.ЕсливсоответствиисРеко­мендацией601fд=1З,5МГц,аТкадр=40мс,тоNкадр=540000.Приэтомсигнал

каждогоэлементаизображенияочередногокадранавходефильтрабудетсуммироватьсяссигналомсоответствующегоэлементапредыдущегокадранавыходефильтра.Темсамым,обеспечиваетсяусреднениеповременисигналовдлякаждогоэлементаизображения.

x(n)

1-К

Рис.3.11.Рекурсивныйшумопонижающийфильтрсзадержкойнакадр

Уменьшениезаметностишумаоснованонатом,чтовнеподвижныхилимедленноизменяющихсяизображенияхполезныесигналыэлементовизобра­женияповторяютсяоткадраккадру,втовремякакзначениянапряженияшумадлякаждогоэлементаизображенияоткадраккадруизменяютсяслучайнымобразом.Поэтомуврезультатеусредненияшумбудетослабляться,аполез­ныйсигналостанется.

Действиефильтраописываетсясоотношением

y(n)=Кx(n)+(1-К)у(п-Nv.aдp). (3.23)

ДляцифровоготелевизионногосигналаэторекурсивныйфильтрпорядкаNкадр·Втабл.З.1приведенызависимостиотпараметраКзначенийкоэффици­ентаподавленияшумаКпшичислакадровNe.характеризующегоинерцион­ностьфильтра.ЗаNeкадровnослевыключениясигналанавходефильтрасиг­налнавыходефильтраубываетве::::2,72раз.

Таблица-З.1

к	0,5	0,2	0,1	0,05	0,02	0,01	0,005	0,002	0,001
Knw	1,73	3,00	4,36	6,25	9,95	14,1	20,0	31,6	44,7
Кпш.дБ	4,8	9,5	12,8	15,9	20,0	23,0	26,0	30,0	33,0
Ne	2	5	10	20	50	100	200	500	1000

Рассмотримдействиеэтогофильтравчастотнойобласти.АЧХфильтра(рис.З.12)имеетвидссгребенки»собластямипропусканияначастотах,кратныхчастотекадров25Гц.Такиефильтрыназываютгребенчатыми.ШиринапиковАЧХзависитотвеличиныкоэффициентаК.ЧемменьшеК,темужеполучаютсяполосыпропускания.

Припередаченеподвижногоизображениявспектретелевизионногосигналабудуттолькогармоникичастоты25Гц,таккаквэтомслучаекаждыйэлементизображенияповторяетсяспериодомкадров.Втожевремяшумимеетнепре­рывныйспектр.Гребенчатыйфильтрбудетпропускатьгармоникисигналаисущественноослаблятьшум.ЧемужепикиАЧХ,темменьшаядолямощностишумапройдетнавыходфильтра.

H(f)

Рис.3.12.АЧХрекурсивногофильтрасзадержкойнакадр

Припередачеизменяющихсяизображенийдействиешумопонижающегофильтрабудетсоздаватьналожениеизображенийпредыдущихкадровнапо­следующие,чтоприведетксмазываниюизображенийдвижущихсяобъектовидругимискажениям.Чтобывкакой-тостепениустранитьэтотнедостаток,такиефильтрыделаютадаптивнымиквеличинеизмененийизображенияоткадраккадру

Структурнаясхемаадаптивногошумопонижающегофильтра,входящеговсоставБИСSAA4990HпроизводствафирмыPHILIPS,приведенанарис.З.1З.ДляработыфильтранеобходимадополнительнаяБИСЗУнаоднополетеле­визионногосигнала.Задержкаосуществляетсянапериодполей,поэтомувсо­отношении(З.2З)вместочислаNкадрбудетчислоэлементоввполеNпол.апикиАЧХфильтрабудутрасположеныначастотах,кратных50Гц.Вотличиеотсхемырис.З.11,вэтомфильтреалгоритм(З.2З)реализуетсяспомощьюдвухсумматоровСум1иСум2иодногоумножителяУмн1.ПараметрКвырабатыва­етсятакназываемымдетекторомдвиженияДДв,содержащимфильтрыФ1иФ2,ограничительОгр.умножительУмн2напостоянныйкоэффициентинели­нейныйпреобразовательНПр.Всеэтиузлы,конечно,цифровые.

НавходдетекторадвиженияДДвпоступаетссумматораСум1разность

входногосигналаx(n)изадержанногонаполевыходногосигналаy(n-N₀₀л).

ФильтрыФ1иФ2-нерекурсивныережекторныефильтры2-гои4-гопорядков,соответственно.Ониослабляютчастотныесоставляющиеразностногосигналавдиапазоне0,25...0,5частотыдискретизации.ВограничителеОгруровеньэто­госигналаограничиваетсясверху,авумножителеУмн2-умножаетсянапо­стоянныйкоэффициентизнабора1,2,4,8.НелинейныйпреобразовательНПримеетnередаточнуюхарактеристику,котораянарастаетотнулясначалабыст­ро,потоммедленнееи,наконец,ограничиваетсянауровнеК=1.

Детектордвижениядцвобрабатываетизмененияяркостиэлементовизо­браженияпоотношениюксоответствующимэлементамизображенияпреды­дущегополя.Еслиизменениеяркостиневелико,тодлятакогоэлементаизо­браженияпараметрКустанавливаетсямалым,иэтотэлементизображенияввыходномсигналеполучаетсяусреднениемсоответствующихэлементовизо­браженияизмногихпредыдущихполей.Врезультатешумослабляетсявзна­чительнойстепени(см.табл.3.1).

Рис.3.13.Адаптивныйшумопонижающийфильтр

Еслижеизмененияяркостиэлементовизображениябольшие,топараметрКстановитсяближекединице.Врезультатечислоусредняемыхполейуменьшается.КогдаКдостигаетединицы,усреднениеи,следовательно,ос­лаблениешумаотсутствуют.Изменяяпостоянныйкоэффициентвумножите­леУмн2,можноувеличиватьилиуменьшатьстепеньослабленияшумов.Од­нако,какпояснялосьвыше,чембольшеослаблениешума,тембольшеинер­ционностьфильтра.

БИСSAA4990Hсодержитдвашумопонижающихфильтра:первыйдлясиг­налаяркости,авторойдляцветаразностныхсигналов,которыеобрабатывают­сяпоочередночерезэлементвсоответствиисформатом4:1:1.Детектордви­женияимеетсятольковфильтредлясигналаяркости,авырабатываемыйимпараметрКпоступаеттакжеинафильтрцветаразностныхсигналов.

Какследуетизописанияработыфильтра,адаптацияквеличинеизмененийяркостиосуществляетсядлякаждогоэлементаизображенияпочтинезависимоотизмененийяркостидругихэлементо.Небольшаякорреляциякоэффициен­товКдлясоседнихпострокеэлементовсоздаетсяфильтрамиФ1иФ2.Крометого,врассмативаемомфильтревозможенследующийэффект:таккаксрав­ниваютсясмежныеполяпричересстрочнойразвертке,торезкиеперепадыяр­костиповертикалимогутвосприниматьсядетекторсмдвижениякакизменениязначенийяркостиэлементовизображенияпоотношениюкпредыдущемуполю,инатакихперепадахшумопонижениеотключается.

Следуетотметить,чтохорошиерезультатыдостигаютсяспомощьюадап­тивныхшумопонижающихфильтровописанноготипаблагодарятому,чтопринципихработысогласуетсясосвойствамизрения.Человекменьшезаме­чаетшумнадвижущихсяизображенияхивобластяхсрезкимиперепадамияркости,гдешумопонижающийфильтрнедействует,исильнеевоспринимаетмешающеедействиешумананеподвижныхиотносительногладкихучасткахизображений,накоторыхкакразиработаетфильтр.

Другойиспользуемыйнапрактикеметодуменьшениязаметностишуманаэкранетелевизораоснованнасовместномприменениилинейнойфильтрацииинелинейнойпороговойобработки.Сущностьэтогометодасостоитвпорого­войобработкевысокочастотныхсоставляющихтелевизионногосигнала.Вход­нойцифровойсигналх(п)(рис.3.14,а)спомощьюФНЧиФВЧразделяетсянанизкочастотнуюивысокочастотнуючасти.ВысокочастотнаясоставляющаяпроходитчерезпороговыйэлементПЭ,примерныйвидпередаточнойхаракте­ристикикоторогопоказаннарис.3.14,6,послечегосуммируетсяснизкочастот­нойсоставляющей.

Выход

х(п)

y(n)

а) ^б)

Рис.3.14.Шумопонижающийфильтрсnороговойобработкой(а)ипередаточнаяхарак­теристикапороговагаэлемента(б)

Есливысокочастотнаясоставляющаятелевизионногосигналаимеетдостаточ­новысокийуровень,чтобываетнаучасткахизображения,содержащихконтурыобъектов,контрастныемалоразмерныедеталиит.п.,тоонапроходитбезизмене­ний,поэтомутакиеучасткиизображениянеискажаются.Еслижевысокочастотнаясоставляющаяимеетнизкийуровень,чтоможетбыть,еслионасозданашумомнафонегладкихучастковизображения,тоонанепропускаетсяпороговымэлемен­том.Врезультатешумнагладкихучасткахизображенияподавляется.

РассмотренныйфильтрнесодержитЗУнаполеидаженастроку.Егодей­ствиепрактическибезинерционно.Однакоунегоестьсущественныеограниче­ния.Текстураповерхностейобъектовбудетподавляться,какишумы.Втожевремянизкочастотныеслучайныепомехибудутпроходитьчерезфильтрбес­препятственно.Шумопонижениеспороговойобработкойреализовано,напри­мер,вБИСSAA7165производствафирмыPHILIPS.УровеньпорогавэтойБИС

управляетсяпошине1²Симожетпринимать4значения.Пороговойобработкеподвергаетсятолькосигналяркости.