21.4.УМЕНЬШЕНИЕ РАЗРЕШАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ И ЧАСТОТЫ КАДРОВ

Одним из простейших способов сокращения полосы передаваемых частот является ограничение пространственной разрешающей способности видеодатчика и частоты повторения кадров. Однако вопрос о том, насколько можно уменьшать разрешающую способность и частоту кадров, во многих случаях представляет значительные трудности в связи с необходимостью оценки субъективного восприятия качества изображения или фотометрической точности его воспроизведения.

21.4.1. УМЕНЬШЕНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ РАЗРЕШАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ

Минимальную величину пространственной разрешающей способности системы обработки или передачи изображений легко вычислить, если к ней предъявлены чисто фотометрические требования, определяющие угловую разрешающую способность в пределах заданного поля зрения. Если же изображения, воспроизводимые такой системой, приходится оценивать тем, в какой мере они поддаются визуальному анализу и распознаванию или обеспечивают возможность обнаружения каких-либо объектов, то выработка требований к разрешающей способности значительно усложняется. Руководством в подобных обстоятельствах может до некоторой степени служить гл. 7, где рассматриваются различные показатели качества изображений.

Как отмечалось в разд. 21.2, для вещательных телевизионных систем различных стран существуют различия в стандартах четкости изображения. В системах цифровой обработки изображений количество строк часто определяется какой-либо целочисленной степенью двух (256, 512, 1024, ...), чем обеспечивается полное использование цифровых регистров. При этом создается возможность наиболее эффективного применения быстрых вычислительных алгоритмов, как, например, быстрого преобразования Фурье.

Во многих случаях нет практической необходимости в высокой разрешающей способности по всей площади изображения. Иногда заранее известно, какой именно район поля зрения представляет наибольший интерес, в других же случаях наиболее важные участки изображения могут быть выделены оператором. Майер и Гарденхайр [21] разработали метод передачи фотоснимков с переменной разрешающей способностью. При подготовке фотоснимка к передаче оператор очерчивает участки, требующие кодирования с высокой или низкой разрешающей способностью. Роль участков, кодируемых с низким пространственным разрешением, состоит в воспроизведении общей обстановки, окружающей наиболее значащие объекты. Примеры кодирования этим методом, полученные путем цифрового моделирования, показаны на рис. 21.4.1. Следует отметить, что кодирование с переменной разрешающей способностью требует передачи сведений не только об уровнях элементов, но и о границах между участками изображения. Как показало моделирование, для многих приложений коэффициент сокращения полосы частот может достигать значения 8:1.

Переменная пространственная разрешающая способность может быть использована также для сокращения полосы частот в тех случаях, когда объект, представляющий главный интерес для получателя изображений, расположен в центральной зоне поля зрения.

Рис.21.4.1. Пример кодирования с переменной разрешающей способностью. Сокращение числа отсчетов на изображении, содержавшем первоначально 1024Х1024 элементов, за счет снижения разрешающей способности в области фона в 64 раза; дальнейшее сжатие цифрового потока в восемь раз проведено путем кодирования с применением косинус-преобразования к блокам размером 256х256 элементов; общий коэффициент сжатия 44,5 : 1. Фотоснимки предоставлены У. Г. Ченом и Ч. Ридером (Ford Aerospace Corp., Пало-Альто, Калифорния): а — оригинал; б — результат кодирования.

Снижение разрешающей способности на периферии изображения по сравнению с центральной зоной не отражается при этом на качестве воспроизведения основного объекта. К тому же и периферическому зрению человека, как известно, свойственно низкое пространственное разрешение по сравнению с фовеальной областью сетчатки. На рис. 21.4.2 показан пример дискретизации изображения при разделении поля зрения на четыре зоны с различным пространственным разрешением. Наиболее высокое разрешение в центральной зоне; в первом из окружающих ее поясов разрешение снижено вдвое, во втором поясе —вчетверо и т. д. Общее число элементов изображения при таком способе дискретизации составляет

,               (21.4.1)

где  — число элементов в зоне с максимальным разрешением. Если бы всюду на изображении поддерживалось такое же высокое разрешение, как в центральной зоне, то общее число элементов увеличилось бы до . Таким образом, полоса частот оказывается сокращенной в  раз.

Рис. 21.4.2. пример поля зрения с переменной пространственной разрешающей способностью.

Известно, что при восприятии подвижных объектов пространственная разрешающая способность зрительной системы человека значительно снижается — уловить тонкие детали объекта удается лишь в тех случаях, когда его движение в достаточной мере регулярно. Изображение быстро движущегося объекта в телевизионных системах обычно смазано, поскольку как камера, так и дисплей обладают определенной временной инерционностью [22]. Все это приводит к заключению, что при передаче в реальном масштабе времени можно без ущерба для качества изображения применить к движущимся относительно кадровой рамки объектам более грубую дискретизацию, сохраняя высокое разрешение лишь для статичных участков изображения [23-26]. К сожалению, такой подход значительно легче сформулировать, чем осуществить на практике. Основная проблема состоит в том, чтобы обнаружить сам факт движения объекта, а также указать числовые характеристики движения. В принципе пространственное разрешение для того или иного объекта должно быть обратно пропорционально его скорости.

Как показали эксперименты, проведенные Сейлером и Будрикисом [27], при телевизионной передаче в реальном масштабе времени наблюдателю требуется сравнительно длительный промежуток времени (700—800 мс) для зрительной адаптации к изображению при каждой смене сцены. В такие периоды времени возможно значительное снижение общей разрешающей способности телевизионной системы без ухудшения качества передачи.