ПОСТРОЕНИЕ ДАТЧИКОВ ИНФОРМАЦИИ ДЛЯ ГРАФИЧЕСКОГО ОФОРМЛЕНИЯ ТВ ПРОГРАММ А.А. Глазунов, admin@drakan.ru СПб ГУТ, С-Петербург, Россия Введение. С развитием ЭВМ появилась возможность производства информации для графического оформления ТВ программ полностью расчетным способом. При этом художник-оформитель задает желаемый внешний вид графического оформления, а ЭВМ производит полный расчет информации, необходимой для добавления графического оформления в кадр ТВ программы с помощью замешивающих устройств. В процессе расчета приходится решать несколько задач для производства информации об изображении (далее – видеоинформации), которая после добавления в ТВ тракт замешивающим устройством обеспечит формирование изображения наилучшего качества на экране приемника. Цели и задачи. Требуется произвести обзор имеющихся проблем, возникающих при разработке датчиков видеоинформации для графического оформления ТВ программ. Характерные особенности ТВ тракта, которые могут привести к искажениям передаваемой видеоинформации: - конечная и стандартизированная полоса передаваемых частот; - прямоугольная форма АЧХ каналов яркости и цветоразностных сигналов; - конечное отношение сигнала к помехам. Конечная полоса передаваемых частот при прямоугольной форме АЧХ может привести к искажениям от эффекта Гиббса. Эффект Гиббса возникает при отсечении части членов числового ряда с помощью прямоугольного окна. Для ТВ системы числовым рядом является спектр сигнала графического оформления, а прямоугольным окном – АЧХ ТВ тракта. В пространственной области эффект Гиббса проявляется в виде: - крутизна переходов сигналов уменьшается, т.к. она не может быть больше, чем крутизна (в нулевой точке) последней сохраненной гармоники сигнала (прошедшей через ТВ тракт): - по обе стороны перехода с уменьшенной крутизной появляются выбросы и затухающие осцилляции с частотой, близкой к частоте первой отброшенной гармоники (не прошедшей через ТВ тракт). Исходная информация для расчета графического оформления ТВ программ часто является векторным определением формы объектов (например символов шрифта). При расчете растрового представления символа требуемого размера обычно производится заполнение массива данных значениями цвета символа, а незанятые элементы массива могут быть заполнены или цветом фона или остаться неинициализированными с полностью прозрачным значением информации в канале прозрачности. Полученная таким образом информация о растровом изображении символа имеет бесконечный периодический спектр. При пропускании через ТВ тракт произойдет усечение ширины спектра до полосы пропускания ТВ тракта практически прямоугольным окном (формой АЧХ ТВ тракта передачи). Как показано в [1] амплитуда максимальных положительных и отрицательных выбросов вокруг контрастных границ переходов сигналов без нейтрализации эффекта Гиббса будет составлять 9% и 5%, таким образом например вокруг границы символа 100% белого цвета возникнет темный контур с контрастностью до 11% (и последующие контуры с меньшей контрастностью на большем расстоянии от границы перехода). Это приведет к подчеркиванию контура символа (паразитному оконтуриванию) и усилению заметности строчной структуры растра на наклонных границах символа. Для нейтрализации эффекта Гиббса применяется ограничение спектра сигнала с помощью различных весовых окон. Это эквивалентно пропусканию сигнала через фильтр низких частот с непрямоугольной АЧХ в полосе частот пропускания. Т.к. после датчика расположен ТВ тракт с прямоугольной АЧХ, то вся полоса пропускания ФНЧ должна находиться в области пропускаемых ТВ трактом частот, иначе произойдет неконтролируемое ограничение прошедших через нейтрализующий фильтр спектральных составляющих в ТВ тракте. Фактически нейтрализация эффекта Гиббса заключается в таком преобразовании входного сигнала, чтобы на выходе нейтрализующего устройства получить сигнал максимально близкий по форме к исходному входному, но который имел бы ограниченный заданной верхней частотой спектр. При этом прохождение сигнала с таким спектром через ТВ тракт с прямоугольной АЧХ не приведет к отсеканию каких-либо частотных составляющих. Существуют различные виды нейтрализующих окон с разной эффективностью. Отрицательным влиянием всех нейтрализующих окон на обрабатываемую информацию является уменьшение крутизны переходов сигнала, которое приводит к уменьшению четкости изображения. Процесс выбора нейтрализующего окна является компромиссом между потерей четкости и уменьшением помех от эффекта Гиббса. При выборе нейтрализующего окна можно задаться условием минимального уменьшения крутизны переходов сигнала при ограниченной амплитуде выбросов, это обеспечивает использование окон Дольфа-Чебышева или Золотарева-Кауэра, которые обеспечивают минимальную длительность переходов при заданном уровне колебательных процессов вокруг переходов. Окна являются параметризуемыми по максимальному уровню колебательных процессов, который рекомендуется задавать сравнимым с уровнем помех, уже имеющихся в видеоинформации, на которую будет накладываться формируемое графическое оформление. Системными помехами в современном цифровом ТВ тракте являются шумы квантования. В связи с этим, для ТВ систем вещательного класса и профессионального, использующих различное количество бит для кодирования отсчетов сигналов (10 и 8 соответственно) возможно использование различных вариантов нейтрализующего окна. Использование фильтра с нейтрализующим окном для системы с 10 битами при подготовке видеоинформации для графического оформления ТВ программы в системе с 8 битами, приведет к несколько излишней потере четкости. Еще одним вариантом формирования видеоинформации, которая не будет искажаться при прохождении по ТВ тракту является использование функций, спектр которых исходно ограничен и верхняя частота большей части энергетически важных составляющих не превышает верхнюю частоту пропускания ТВ тракта. Такими свойствами обладает например используемая для формирования испытательных сигналов функция sin2(x). Значения этой функции, взятые в двумерном пространстве в окрестности точки 0, в которой значения меняются от 1 до 0, могут быть использованы как «ТВ элемент», выглядящий как точка. Из таких элементов методом алгебраического суммирования и умножения на масштабирующий множитель можно производить видеоинформацию более сложных объектов, разложенных на точки, которая сохранит свойство ограниченности спектра. Особенности производства информации о изображении малых объектов. Под малым объектом считается объект, имеющий размер, сравнимый или менее размера ТВ элемента. Примеры малых объектов, часто встречающихся при оформлении ТВ программ: тонкие элементы символов шрифтов, у которых толщина элементов различна в разных частях символа. Такие шрифты обычно не рекомендуются для использования для оформления ТВ программ, т.к. при формировании информации о них простыми методами растрирования с разрешением вывода, возникают значительные искажения. Векторное изображение символа обычно определено как имеющий заданный неизменный цвет геометрический объект. Таким образом при растровом разложении изображения символа на фоне фиксированного цвета получается двухуровневая информация, которая может быть закодирована 1 битом – наличие цвета символа или наличие цвета фона. Это означает, что значительная часть информационной емкости стандартного ТВ тракта с квантованием сигналов на 254..1022 уровней недоиспользована или информация об объекте (символе) содержит значительное количество шумов квантования, т.е. отношение мощности сигнала к мощности шумов квантования крайне мало. Для увеличения качества производимой видеоинформации о рассчитанных объектах обычно применяется операция «анти-алайзинга» (англ. “anti-aliasing”) или «сглаживания». Процесс операции сглаживания заключается в расчете информации об объекте с большим разрешением, т.е. большей детализацией и последующем уменьшении до требуемого выходного размера. При этом происходит уточнение информации о пространственной форме объекта с помощью кодирования части информации в повышении отношения мощности сигнала к шумам квантования. Т.к. мощность сигнала определена максимальным значением числа, которым кодируются уровни яркости, то отношение мощности сигнала к шумам квантования можно повысить только уменьшением шумов квантования или увеличением количества бит, используемых для более точного кодирования промежуточных уровней сигнала. Действительно, согласно формуле Шеннона о максимальной информационной емкости канала связи, количество переданной информации определяется не только полосой передаваемых частот (для информации о изображении – размером кадра в отсчетах), но и отношением мощности сигнала к мощности помех. Таким образом, видеоинформация, в которой количество значащих бит приближено к количеству передаваемых бит на каждый отсчет в канале связи является наиболее полной, качественной, и позволит на стороне приемника восстановить форму передаваемого объекта наиболее точным образом. При формировании информации о изображении малых объектов возникает следующий эффект: при уменьшении размера объекта, сначала уменьшается его размер в отсчетах в пределах формируемого массива информации о кадре, а затем происходит уменьшение контрастности при сохранении размера порядка 1 ТВ элемента. Это происходит из-за того, что одиночный объект имеет широкий спектр, содержащий и постоянную составляющую и некоторое количество низкочастотных составляющих. При уменьшении размера объекта происходит последовательное отсечение высокочастотных составляющих спектра одиночного объекта ограниченной шириной полосы пропускания ТВ тракта, но даже при значительном уменьшении (когда размер объекта в несколько раз меньше размера 1 ТВ элемента), в полосу частот ТВ тракта попадает все еще достаточное количество энергии спектра для формирования заметного импульса. Практически это означает, что для производства качественной видеоинформации с ограниченным спектром и высоким отношением мощности сигнала к мощности шумов, необходимо иметь информацию о гораздо более широком спектре сигнала исходной информации. В терминах «разрешения» это будет означать, что для расчета информации о изображении например текстового символа для графического оформления ТВ программы, заданного векторным образом, необходимо построить его растровое изображение в значительно более высоком разрешении для уточнения формы самых мелкоструктурных элементов, от которых после ограничения спектра должны остаться малоконтрастные детали. Данная операция является аналогом процесса «анти-алайзинга» (anti-aliasing), при котором сначала рассчитывается растровое изображение большого размера и затем проводят операцию уменьшения, обычно в кратное количество раз – 2, 4,8,16. Для оценки необходимого размера исходного рассчитываемого изображения перед уменьшением необходимо задаться условиями, при которых дальнейшее увеличение кратности уменьшения более не будет оказывать влияние на выходной результат. По аналогии с выбором фильтра, нейтрализующего эффект Гиббса, можно задаваться такой кратностью уменьшения, при которой амплитуда остаточного импульса от малого объекта не будет превышать уровень системных помех от шумов квантования или иных помех. При этом для различных систем ТВ с 8 и 10 битным квантованием сигналов, требуемая кратность уменьшения будет различаться. Для систем с 10 битным квантованием уровень шумов квантования ниже и соответственно кратность уменьшения должна быть больше. Величина попадающей в полосу частот ТВ тракта энергии низкочастотных спектральных составляющих малого объекта зависит не только от величины объекта, но и от его контрастности. Таким образом невозможно установить точное значение необходимой кратности уменьшения для произвольных объектов т.к. даже при произвольно большой кратности уменьшения, может появиться объект с такой контрастностью, что и малой части его низкочастотных спектральных составляющих будет хватать для появления импульса, превышающего принятый пороговый уровень заметности объекта. При графическом оформлении ТВ программ обычно используются объекты различных размеров, но при этом контрастность больших и малых объектов в большинстве случаев одинакова или контрастность малых объектов не превышает контрастность больших объектов. Это правило сохраняется для большого количества освещенных (несамосветящихся) объектов, но может нарушаться для самосветящихся объектов. Таким образом максимальная контрастность малых несамосветящихся объектов обычно не превышает 100%. Для используемых при графическом оформлении ТВ программ это выполняется почти всегда т.к. для символа шрифта обычно определен только один цвет и большие и малые элементы символа имеют одинаковую контрастность. При этом появляется возможность рассчитать или промоделировать ситуацию с ограничением спектра малого объекта 100% контрастности полосой пропускаемых частот ТВ тракта с учетом нейтрализующего эффект Гиббса фильтра при различной эффективной кратности уменьшения и исследовать амплитуду полученного остатка. По результатам проведенных автором экспериментов получилось, что при примерно 8-кратном уменьшении амплитуда остаточного импульса примерно равна одному шагу квантования при 256 уровнях или 8 битах кодирования. Таким образом при построении датчиков информации для графического оформления ТВ программ рекомендуется производить не менее 8..16-кратного увеличения размера рассчитываемого двухуровневого изображения символа перед последующим ограничением его спектра нейтрализующим эффект Гиббса фильтром. В процессе производства видеоинформации для графического оформления ТВ программ кроме изображений текстовых символов часто используются различные другие изображения – подложки, рамки, логотипы и др, которые могут составлять многослойную композицию. Составление многослойной композиции производится с помощью замешивания слоев с учетом содержащейся в них информации о прозрачности и информации о порядке замешивания слоев программным способом (упорядоченное альфасмешение). Для экономии вычислительных ресурсов обычно замешивание результирующей выходной композиции производится в выходном разрешении. При этом необходимо следить за условием ограниченности спектра информации каждого составного слоя. Также условие ограниченности спектра выходного результата может нарушаться при использовании в операции замешивания информации из канала прозрачности с не ограниченным полосой пропускания ТВ тракта спектром. Условие ограниченности спектра может быть нарушено на краях блоков информации о изображении при некорректном ограничении их размера. В программном обеспечении для управления датчиками информации для графического оформления ТВ программ рекомендуется иметь функции для анализа составных элементов и результирующей композиции на корректность спектрального состава с выдачей оператору предупреждения в случае обнаружения потенциально опасных элементов. Заключение. Описанные требования позволяют определить минимальный состав датчика информации для графического оформления ТВ программ: - модуль расчета информации о изображении векторных объектов в высоком разрешении - модуль формирования спектра и нейтрализации эффекта Гиббса - модуль замешивания информационных слоев - модуль импорта информации от внешних источников - модуль формирования композиции с графическим интерфейсом - модуль инженерного контроля и анализа информации на различных стадиях подготовки и выходе датчика. 1. 2. 3. 4. ЛИТЕРАТУРА. Давыдов А.В., Курс лекций по цифровой обработке сигналов. Весовые функции. Интернет. http://prodav.narod.ru/dsp/tema3.htm Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов. / СПб.: Питер, 2002. А.И. Солонина, Д.А. Улахович, С.М. Арбузов, Е.Б. Соловьева, И.И. Гук. Основы цифровой обработки сигналов: курс лекций / СПб.: БХВ-Петербург, 2003. Гольденберг Л.М. Цифровая обработка сигналов: справочник / М.: Радио и связь, 1985.