Коррекция апертурных искажений видеосигналов

Одним из важнейших способов обработки видеосигналов, осуществляемых в камерном канале, является коррекция апертурных искажений, вносимых преобразователями свет-сигнал. Апертурные искажения связаны с конечным размером сечения (апертуры) развертывающего элемента и приводят к потере четкости телевизионного изображения как по горизонтали, так и по вертикали. В воспроизводящих телевизионных устройствах апертурные искажения значительно меньше, чем в передающих, и ими обычно пренебрегают.

Простейшим способом апертурной коррекции (коррекции четкости изображения) является подъем верхних частот спектра путем пропускания сигнала через фильтр верхних частот (ФВЧ) и суммирования полученного сигнала с исходным в определенном соотношении. Это соотношение определяет, насколько повышается относительный контраст мелких деталей результирующего изображения по сравнению с исходным контрастом, полученным на выходе преобразователя свет-сигнал. Для получения оптимального сигнала коррекции требуется ФВЧ, АЧХ которого в рабочем диапазоне частот аппроксимируется функцией

k(f) = sin²(πf/2f_max),

где f_max - частота максимального подъема АЧХ, обычно выбирается в пределах 5...10 МГц.

В некоторых случаях используют два параллельно включенных ФВЧ с параметрами f_max1 ≈ 3 МГц, f_max2 ≈ 7 МГц. При этом подъем АЧХ на частоте f_max1 обеспечивает заметное повышение крутизны фронта сигнала (коррекцию резкости) ценой значительного увеличения выбросов (оконтуривания).слева и справа от яркостной границы.

На практике применяют два варианта ФВЧ, из которых трансверсальный фильтр (рис. 6.5, а), обеспечивая строгую линейность фазочастотной характеристики ФВЧ, т.е. симметричность (слева и справа) подчеркивания яркостной границы, более критичен в настройке по сравнению с двухконтурным RLC-фильтром (рис. 6.5, б), ФЧХ которого на частотах выше f_max значительно отличается от линейной. В обоих случаях необходимо компенсировать задержку ФВЧ путем пропускания основного (низкочастотного) сигнала через линию задержки. Как трансверсальный, так и двухконтурный ФВЧ реализуют операцию вычисления второй производной сигнала в ограниченной полосе частот.

Следует отметить, что иногда апертурные корректоры располагаются непосредственно в телекамерах. Это относится к отдельным конструкциям бытовых и прикладных телекамер. В этом случае используются простейшие двузвенные дифференцирующие RC-цепи, которые, к сожалению, вызывают резкое возрастание внеполосных шумов и помех.

Рис. 6.5. Структурные схемы горизонтальных апертурных корректоров: а - с трансверсальным фильтром; б - с двухконтурным RLC-фильтром

Рис. 6.6. Структурная схема нелинейного апертурного корректора с шумоподавлением:

1 - ФНЧ; 2 - линия задержки; 3,5- суммирующие устройства;

4, 7 - двусторонние ограничители; 6 - ФВЧ

Увеличение размаха составляющих видеосигнала на частоте f_max в 2...4 раза за счет апертурной коррекции вызывает возрастание уровня внутриполосных высокочастотных составляющих шума и общее ухудшение отношения сигнал-шум видеосигнала на 8...10 дБ. От этого недостатка свободен нелинейный апертурный корректор с шумоподавлением (рис. 6.6) [8]. В нем сигнал основного канала пропускается через ФНЧ1 с плавно спадающей ФЧХ. При этом отношение сигнал-шум в основном канале улучшается на 3...4 дБ, а снижение в результате фильтрации уровня полезных высокочастотных составляющих компенсируется увеличением степени апертурной коррекции. Причем сигнал коррекции U_кор дополнительно обрабатывается ограничителями по минимуму, которые не пропускают сигналы размахом менее 2...5 %. Такая мера исключает возрастание шумов на участках изображения, соответствующих крупным деталям, где они наиболее заметны, но не снижает уровня шумов вблизи мелких деталей и на периодических структурах. Кроме того, из-за уменьшения размаха сигнала U_кор на выходе ограничителя падает четкость малоконтрастных деталей. Тем не менее общее улучшение качества изображения вследствие меньшей зашумленности участков изображения, соответствующих крупным деталям, настолько явное, что в современной телевизионной аппаратуре применяются исключительно нелинейные апертурные корректоры.

Наряду с коррекцией четкости по горизонтали необходимо корректировать ее и по вертикали. Имеется несколько различных возможностей для сочетания коррекции по вертикали и горизонтали.

Для двумерной (полной) коррекции четкости, т.е. в горизонтальном и вертикальном направлениях изображения, очень часто используется разностный метод апертурной коррекции с применением линий задержек (ЛЗ) на строку и на элемент разложения. Данный метод основан на устранении паразитной информации на переходах от черного к белому, проникающей в полезный сигнал передаваемого изображения. Для этого формируется сигнал коррекции, получаемый вычитанием из основного сигнала сигналов соседних элементов изображения. Сигналы для коррекции в горизонтальном и вертикальном направлениях можно представить в виде следующего выражения:

U_кор = U₁-0,5(U+U₂),

где U₁ и U₂ - сигналы, задержанные относительно исходного видеосигнала U на время, равное длительности двух и четырех элементов разложения. Из-за использования чересстрочного разложения апертурная коррекция осуществляется через строку по вертикали и через элемент по горизонтали. Для горизонтальной апертурной коррекции время задержки для U₁ равно 125 нс, а для U₂ - 250 нс. Для вертикальной апертурной коррекции оно соответственно равно 64 и 128 мкс. Полученный корректирующий сигнал U_кор суммируется с сигналом, задержанным на два элемента разложения относительно исходного для временного согласования. В результате коррекции длительность перехода от черного к белому уменьшается примерно в два раза.

Рис. 6.7. Функциональная схема разностного двумерного апертурного корректора

Степень коррекции можно менять, задавая уровень кор­ректирующего сигнала. Для устранения появляющихся выбросов и уменьшения шумов используется схема двустороннего амплитудно­го ограничения по минимуму.

Функциональная схема разностного двумерного апертурного корректора приведена на рис. 6.7 [8]. Широкополосные ЛЗ 1, 2 обес­печивают задержку исходного сигнала на строку, т.е. на 64 мкс. Та­кая задержка реализуется с помощью ультразвуковых ЛЗ с предва­рительной модуляцией и последующей демодуляцией видеосигна­ла. Инверторы 3, 5, 7, 10 используются для изменения полярности сигнала. ЛЗ 8, 9, обеспечивающие задержку сигнала на два элемен­та разложения в горизонтальном направлении, реализуются на пас­сивных RС-элементах. ЛЗ 12 обеспечивает согласование во време­ни сигналов вертикальной и горизонтальной коррекций. С помощью переменных резисторов R₁ и R₂ схема позволяет осуществить плавную независимую регулировку сигнала вертикальной U_кор и горизонтальной U_{кор г} коррекции. В состав схемы входят также суммирующие устройства 4, 6, 14, усилители видеосигналов 11, 13 и двусторонний амплитудный ограничитель по минимуму 15.

При использовании в камерном канале цифровых методов обработки видеосигналов алгоритм работы апертурной коррекции остается прежним. В качестве элементов задержки используется многоотводная цифровая ЛЗ на основе регистров сдвига.

В некоторых конструкциях камерного канала сигнал коррекции U_кор вводится в цветоделенные видеосигналы Е_R, E_G, E_B дважды - до и после гамма-корректоров, что позволяет дополнительно улучшить компромисс между четкостью и зашумленностью темных участков изображения.