3.3 Телевизионный контроль и измерения

3.3.1 Методы и критерии оценки качества телевизионных изображений

К ТВ измерениям относятся измерения световых и электрических параметров приборов и аппаратуры, обеспечивающих передачу и приём ТВ информации, величин, характеризующих режимы их работы, а также техническое качество ТВ изображений. Телевизионная метрика охватывает обширный комплекс свето­вых и радиотехнических измерений. С помощью световых измерений оценивают характеристики передаваемого и воспроизводимого изо­бражений, качество преобразований свет-сигнал и сигнал-свет при анализе объекта передачи и синтезе ТВ изображений на экране вос­производящего устройства. Радиотехнические измерения позволяют оценивать процесс формирования ТВ сигнала, его преобразования при передаче и приеме, качество ТВ каналов аппаратно-студийных комплексов телевизионных центров, радиорелейных, кабельных и спутниковых систем связи, радиопередающих и ретрансляционных ТВ станций, а также телевизоров систем коллективного приема. Эти измерения основываются на использовании информационных свойств ТВ сигнала, а также специальных ТВ измерительных сигналов, пара­метры которых выбирают из соображений наибольшей чувствитель­ности к определенным искажениям.

Измерение — это процесс, характеризующийся получением опытным путем численного отношения между измеряемой. величи­ной и некоторым ее значением, принятым за единицу сравнения. Ре­зультат измерения выражается в виде именованного числа (вольты, амперы и т.п.), совокупности чисел, графиков.

Контроль — это операция, сводящаяся к сопоставлению и уста­новлению соответствия параметра или характеристики проверяемого сигнала и пределов задаваемых допусков. Результат контроля — ло­гическое заключение или некоторое суждение, например «в норме »— «не в норме», «больше» — «меньше» и т.д.

Различия в этих определениях в связи с быстрым совершенство­ванием измерительных и контрольных ТВ устройств в некоторой сте­пени условно, так как методы и технические средства измерений и контроля взаимно связаны.

294

Например, в цифровых приборах с авто­матическим выбором диапазона измерений при отыскании требуемо­го диапазона проводятся операции примерно

такие же, как в устрой­ствах допускового контроля. Использование же цифровых методов в допусковом контроле позволяет получать результаты сравнения с допуском в виде не только качественного суждения, но и количе­ственной меры выявленного отклонения и т.д.

Под точностью понимают близость результатов измерения к ис­тинному значению измеряемой величины. Погрешность измерения — отклонение результата измерения от истинного значения измеря­емой величины. На практике определяют лишь приближенное зна­чение погрешности измерения, поскольку истинное значение измеря­емой величины остается неизвестным.

Телевизионную контрольно-измерительную информацию (ин­формацию о значениях измеряемых физических величин) извлека­ют из световых, электрических и радиосигналов. Под ее обработкой понимают процесс, в результате которого контрольно-измерительная

Таблица 3.1

информация становится максимально подготовленной для последу­ющих операций — представления оператору, ввода в ЭВМ и т.д. На практике основные возможности данного ТВ тракта обычно характе­ризуют рядом показателей. Это позволяет достаточно надежно пред­сказать ожидаемое качество воспроизводимого ТВ изображения.

Качественные показатели ТВ изображения условно можно под­разделить на световые и растровые.

Световые показатели изображения — максимальная яркость, контраст, число воспроизводимых градаций яркости, диапазон вос­производимых цветов, качество цветопередачи, четкость, резкость, а также различные искажения, проявляющиеся в нарушении распре­деления яркостей и цветностей в изображении.

Растровые показатели — это размеры и формат кадра, нели­нейные и геометрические искажения растра, возникающие в переда­ющих и приемных устройствах, которые в основном нарушают гео­метрическое подобие принятого изображения его оригиналу. Сюда же можно отнести показатели, характеризующие качество совмеще­ния растров в передающей и приемной аппаратуре, стабильность их положения. Качественные показатели ТВ растров практически не связаны с характеристиками ТВ канала, а определяются разверты­вающими устройствами передающих и приемных трубок.

Для аналоговых ТВ систем характерны такие виды искажений, как размытость

295

границ, повторные изображения, цветные окантов­ки, искажение яркости и цветности, хаотические изменения яркости и цветности и т.д. Эти искажения обусловлены различными наруше­ниями работы ТВ тракта, и одной из основных

задач ТВ измерений является оценка их величин и выявление источника искажений.

В цифровом ТВ некоторые искажения изображения, связанные с процессом кодирования и дефектами цифрового сигнала (дрожа­ние, цифровые ошибки и т.д.), отличаются от искажений, характер­ных для аналогового ТВ, и проявляются, например, в виде блочной структуры, специфических шумов и т.д. Как в аналоговых, так и в цифровых системах искажения могут зависеть от содержания пе­редаваемого изображения.

Классификация методов измерения качества изображений пред­ставлена в таблице 3.1.

В соответствии с представленной классификацией оценка каче­ства изображений может быть субъективной или объективной, пря­мой или косвенной. Субъективные измерения являются результатом оценки наблюдателями качества изображения. Объективные изме­рения выполняют с помощью аппаратуры. При этом показания считываются операторами или автоматически с использованием матема­тического алгоритма. Прямые измерения выполняют на материале, представляющем интерес, в данном случае на изображениях. Косвен­ные измерения осуществляют, обрабатывая специально разработан­ные тестовые сигналы, при этом оценивается не качество изображе­ния, а параметры видеосигнала. Субъективные измерения выполня­ются только прямым способом, так как мнение наблюдателей отно­сительно тестового сигнала не особенно значимо для оценки качества изображения. (Однако экспертный взгляд на кадровый тест-сигнал полезен как способ определить характер искажения сигнала.)

Контроль качества можно осуществлять в процессе передачи во время отображения программы, непосредственно оценивая программ­ный материал, или косвенно, по сигналам испытательных строк, а также периодически в перерывах между передачами. При периоди­ческом контроле, соответствующие испытательные сюжеты исполь­зуются для прямых измерений, а кадровые испытательные сигналы — для косвенных измерений.

Хотя в системах NTSC, PAL, SECAM происходит сокращение объема передаваемой информации, они рассматриваются как систе­мы, не использующие сжатие. Измерения качества сигнала (объек­тивные косвенные) — хороший способ определить качество изобра­жения для таких систем, поскольку имеется сильная математическая корреляция между субъективными измерениями, сделанными по изо­бражениям в системе, и объективными измерениями, сделанными по соответствующим испытательным сигналам в той же системе. Кор­реляция несовершенна для всех тестов. Существуют искажения в композитных системах, типа ложных цветовых сигналов, вызванных высокочастотной составляющей яркости, которые трудно измерить объективным способом. Также возможны объективные измерения, которые не соотносятся прямо с субъективными результатами. Од­нако такие объективные результаты часто очень полезны, потому что их эффект будет замечен наблюдателем, если

296

изображения об­работаны таким же образом неоднократно — например, многократ­ная перезапись изображения, использующая аналоговое устройство записи изображений на ленту.

Не компрессированная аналоговая система и цифровая система в полной полосе частот являются линейными, т.е. система инвариантна ко времени, сигнал независим и применима суперпозиция. Качество сигнала измеряют по соответствующим испытательным сигналам, по искажениям которых определяют качество канала передачи или ха­рактеристики обработки изображений. Эти испытательные сигналы могут быть очень короткими, например, одна строка в вертикаль­ном интервале. Качество сигнала несжатых изображений остается критическим в системах, которые используют компрессию, по не­скольким причинам:

• видеопоследовательности на входе компрессионного кодека должны быть точными, в согласии с соответствующими стандар­тами, а качество — высоким насколько возможно, чтобы обес­печить эффективное кодирование;

• обработка изображений типа добавления заголовков и специаль­ных эффектов не может быть выполнена в сжатой области;

• не всегда в производстве целесообразно использовать сжатие из-за стоимости и качества кодеков сжатия;

• для различных форматов сжатия единственное условие быть об­мененными — полный уровень скорости передачи информации (в битах).

Это приводит к жестким требованиям для испытания аналоговой и цифровой части с полной полосой.

С появлением цифровых систем оценка качества изображений становится более сложной. Основным преимуществом цифровых ме­тодов обработки изображений является возможность кардинального сокращения объема передаваемой информации и обеспечения сжатия и передачи нескольких ТВ программ в одном радиоканале. При этом ранее используемые методы испытания качества изображения непри­менимы для оценки кодеров, так как традиционные испытательные сигналы и изображения легко сжимаются с небольшими искажени­ями или потерями. Поэтому измерение оценки качества изображе­ния требуют прямого метода, использующего естественные сюжеты, или эквивалентные, которые намного сложнее, чем традиционные испытательные сигналы.