1.4.1.3 Резкость изображения (Переходная характеристика)

На резкость изображения, которое мы видим на мониторе, оказывают свое влияние все элементы видеотракта. Но причины вызывающие ухудшение резкости у каждого элемента видеотракта свои. Для объективов это одна причина для видеокамер другая, а для радиочастотного кабеля третья.

Но начнем по порядку.

Чтобы не было путаницы, о какой резкости идет речь, будем использовать термин «аппаратная резкость» когда будем рассматривать характеристики оборудования. А термин просто «резкость» оставим для фокусировки объектива.

Что скрывается под термином «аппаратная резкость» любого элемента в видеотракте CCTV? Прежде всего, этот параметр показывает, как рассматриваемый элемент в видеотракте способен обработать смену одного цвета на другой. Идеальное оборудование должно обеспечить вывод информации о смене цвета в элементе изображения таким образом, чтобы никакого промежутка между цветами не было.

Рис. 32 - Процесс смены цвета при «аппаратной резкости»

Процесс смены цвета во времени должен произойти мгновенно, а на экране граница между цветами должна отсутствовать (рис. 32, верхняя часть). Но реальная действительность такова, что выполнить эти условия ни один из элементов видеотракта не в состоянии (Это касается любого оборудования не только оборудования CCTV).

Вопрос только в том, насколько оборудование может исказить эту переходную область. Чем она больше, тем сильнее эти искажения заметны на экране монитора и тем аппаратная резкость хуже. На рис. 32 в качестве примера приведен переход от белого к черному. На верхнем рисунке идеальный переход, а на нижнем переход, искажен аппаратурой плохого качества. Искажение как раз и заключается в том, что граница между двумя цветами размыта. Вот эта размытость на границе перехода двух цветов и создает ощущение не резкости при просмотре изображения на мониторе.

Для количественной оценки аппаратной резкости используется переходная характеристика, которая показывает, как быстро во времени происходит процесс смены цвета. Пример переходной характеристики приведен на рис. 33 [13].

Рис. 33 - Пример переходной характеристики

Переходная характеристика предназначена для оценки резкости изображения и искажений формы сигнала на границе перехода от черного к белому или наоборот. Переходная характеристика определяет длительность переходного процесса и вид кривой, которой она описывается. Чем ширина переходного процесса уже, тем резкость лучше, и наоборот.

Что представляет собой переходная характеристика? Прежде всего, ось абсцисс – это временная ось, по которой определяют, сколько времени необходимо, чтобы цвет из черного стал белым. И ось ординат, на которой отложены уровни сигнала или в абсолютном их значении или в процентах.

Переходная характеристика дает следующую информацию об оборудовании:

1. Аппаратная резкость изображения в микросекундах (мкс).

2. Окантовки, как в области белого, так и в области черного в процентах.

3. Тянущиеся продолжения в процентах.

Рассмотрим каждую характеристику отдельно.

Аппаратная резкость, как мы уже выше отметили, определяется временем, которое необходимо оборудованию, что бы из черного цвета перейти к белому. В зависимости от того, какой контраст между цветами время перехода разное. Чем меньше контраст, тем быстрей происходит смена цвета. Для тестирования оборудования используют переход между черным и белым цветом при контрасте между ними равном единице. Это самые сложные условия работы оборудования, с точки зрения сохранения резкости. С уменьшением контраста величина аппаратной резкости улучшается, т.е. переходная область делается уже.

Для определения численного значения величины аппаратной резкости на уровнях переходной характеристики 0,1 и 0,9 определяют время начала (Tн) и время завершения (Тк) переходного процесса (рис. 33). Аппаратная резкость вычисляется как Р = Тк – Тн.

Окантовки это искажения в виде колебательного процесса на вершине или спаде переходной характеристики (рис. 33).

Рис. 34 - Изображение окантовки

На изображении окантовки проявляются в виде темной или светлой полосы проходящей вдоль границы перехода от одного цвета к другому (рис. 34). Степень отличия цвета окантовки от цветов, между которыми осуществляется переход, зависит от амплитуды колебательного процесса. На рис. 33 это +ΔU и -ΔU. Чем амплитуда больше, тем окантовка становится, все более заметна на изображении. Окантовки на переходной характеристике могут быть как в области белого, называются «Кайма», так и в области черного – «Бахрома».

Тянущиеся продолжения характеризуют, на сколько быстро заканчивается колебательный процесс. На изображении тянущиеся продолжения выглядят как полосы с убывающей интенсивностью цвета. Для определения количественных значений тянущихся продолжений определяют, как угасает их амплитуда на интервале от t1 к t2.

В технике вещательного телевидения переходная характеристика имеет строго определенные параметры, которые не должны выходить за пределы допустимых значений.

Таблица 12 - Пределы допустимых значений переходной характеристики

Допустимые значения задаются в виде шаблона (рис. 35), внутри которого должна укладываться переходная характеристика.

Рис. 35 - Шаблон, внутри которого укладывается переходная характеристика

Если характеристика оборудования не укладывается в отведенный шаблоном диапазон значений, то оборудование не проходит испытания. Эти требования в телевидении очень жесткие и именно поэтому качество телевизионных изображений, не идет ни в какое сравнение с качеством картинки в CCTV.

Для представления о том, какие ограничения задаются в вещательном телевидении на переходную характеристику, приведу выдержку из: «Правила применения оборудования систем телевизионного вещания», утвержденных приказом Министерства информационных технологий и связи Российской Федерации от «10» января 2006г. № 1.

В современных фото и видео камерах, в том числе и CCTV все шире стали применяться искусственные способы повышения резкости изображения. Эта необходимость обусловлена тем, что возможности оборудования формировать резкое изображение ограничены, а желание иметь резкую картинку всегда имеет место. Поэтому искусственное повышение резкости сейчас стало применяться очень часто. Способов, а точнее алгоритмов создания фильтров позволяющих увеличивать резкость много, но мы рассмотрим только один, и на его примере, попробуем объяснить принцип повышения резкости.

Резкость изображения увеличивают на стадии формирования или обработки изображения. Процесс увеличения резкости может происходить, как в видеокамере, так и в устройствах обработки видеосигнала. В Русском языке пока нет термина, который адекватно характеризовал этот процесс, в то же время в фотографии широко используется термин шарпинг (от английского sharpness – величина, характеризующая качество воспроизведения границ участков изображений и контуров). Это понятие резкости - шарпинг имеет уже третий физический смысл, который мы рассматриваем в этой статье.

Основа увеличения резкости с использованием шарпинга заключается в том, что на границах яркостных переходов искусственно увеличивают контраст. Как это происходит? На рис. 36 приведена переходная характеристика процесса изменения цвета с «темного» на «светлый».

Рис. 36 - Переходная характеристика процесса изменения цвета с «темного» на «светлый»

Переходная область состоит из двух оттенков серого, являющихся промежуточными цветами между «темным» и «светлым». Причем в исходном изображении этих оттенков нет. Они появились как следствие плохой аппаратной резкости оборудования. На мониторе эти оттенки присутствуют и вызывают эффект размытия границ яркостных переходов, что снижает визуально оцениваемую наблюдателем резкость. Что бы эффект размытия не был так заметен цвета полутонов переходной области (рис. 37) заменяют на другие.

Рис. 37 - Длительность переходной области при использовании принципа замены цвета

Принцип замены цвета состоит в том, чтобы контраст цветов переходной области был больше контраста цветов, между которыми происходит переход. В результате такой замены длительность переходной области (рис. 37) значительно сократилась, при этом увеличенный контраст подчеркнул границу перехода между цветами. Результат работы этого эффекта хорошо виден на фотографиях (рис. 38) приведенных на сайте http://www.fototest.ru/articles/59/ в статье: “Да здравствует резкость”.

  

Рис. 38 - Результат принципа замены цвета

Шарпинг описывается несколькими параметрами. Первый из них это – радиус.

Радиус (рис. 37) фактически определяет ширину области, в которой будет повышен контраст. Маленький радиус говорит о том, что будет повышен контраст только близлежащих к границе перехода пикселов. А чем больше радиус, тем больше пикселов "вглубь" от границы будет подвержено изменению контраста. Использование минимальной величины радиуса чревато появлению на изображении искажений в виде ступенек (рис. 39).

Рис. 39 - Результат использования минимальной величины радиуса

Порог (рис. 36) определяет, какова должна быть разница исходных полутонов изображения, чтобы к ним было применено увеличение резкости (шарпинг). При малой величине порога увеличение резкости не происходит. Как только порог превысил заданное значение, включается алгоритм увеличения резкости.

Интенсивность (рис. 37) характеризует, насколько сильно будет увеличен контраст между исходными полутонами на границах деталей изображения. Другими словами насколько темнее станут темные полутона и насколько светлее светлые. Чрезмерная величина интенсивности может привести и к искажениям сходных с теми, что мы рассматривали выше (рис. 34), а именно окантовки.

Использование технологий шарпинга не всегда приводит к 100% положительным результатам. Причина заключается в том, что для каждого изображения, к которому необходимо применить шарпинг, нужно подбирать оптимальные значения параметров. Для нашего примера это радиус, порог и интенсивность. В этом случае успех обеспечен. Оборудование CCTV, какой бы алгоритм усиления резкости не использовало, все равно имеет фиксированные значения параметров, выбранные разработчиками только по известным им критериям. Поэтому и результат повышения резкости изображения пользователь видит не всегда. В ближайшей перспективе наверняка в CCTV появится шарпинг с адаптивными способами выбора параметров. Вот тогда аппаратная резкость оборудования за счет шарпинга порадует пользователей.

Далее >>>