Системы тепловидения - Выборка в системах с коммутацией

1. Выборка в системах с коммутацией

В одном из типов систем FLIR, описанном в разд. 8.4.2, видеосигналы, поступающие по множеству каналов, передаются в один канал с помощью коммутации каналов во времени. Система такого типа состоит из параллельного сканирующего устройства с электронным переключателем, который последовательно опрашивает N идентичных, ограниченных по полосе каналов, и индикаторного устройства, которое демодулирует и фильтрует полученные сигналы. Математическое описание системы с коммутацией идентично математическому описанию системы с параллельной обработкой сигналов до второго этапа. Пространственный эквивалент временной выборки, осуществляемой коммутатором, показан на фиг. 9.10.

Фиг. 9.10. Путь окна коммутатора при выборке. 1 — сканирующие строки; 2 — окна коммутатора.

Горизонтальный растр в левой части фигуры представляет аналог каналов, опрашиваемых коммутатором в направлении х. Наклонный растр в правой части представляет путь небольшого прямоугольного окна, которое последовательно опрашивает каждый канал. Это электронное окно опрашивает каждый канал через интервал a/s в течение времени a/Ns, где s — число опросов за время элемента (эффективность коммутатора полагается равной единице). Мы аппроксимировали наклонный растр выборки вертикальным, поскольку точное уравнение очень громоздко, а выигрыш в точности получается незначительным и не оправдывает такого усложнения. Приближенный растр изображен на фиг. 9.11.

Фиг. 9.11. Приближенный растр при использовании электронного коммутатора.
1 — сканирующие строки; 2 — приближенный путь окоп коммутатора.
;
Предположим, что импульсная реакция системы до коммутатора определяется только реакцией приемника rd (х, у). Предположим также, что импульсная реакция демодулятора и конечного фильтра (монитора) равна гт. Функция окон коммутатора имеет вид
(9.26)
Изображение формируется по следующим этапам:

1. Изображение Г (х, у) образуется с помощью обычной выборки одномерным растром

(9.27)

1. Г опрашивается функцией окон коммутатора Wn подвергается свертке с помощью импульсной реакции канала коммутатора, влиянием которой мы пренебрежем, и тогда

Этот спектр изображения показан на фиг. 9.12. Отличительной особенностью рассматриваемой задачи опять является наличие боковых полос, которые повторяют вид спектра до выборки. Анализ первых трех проблем может быть распространен на случай наблюдения с помощью другого сканирующего приемного устройства с покадровым разложением.
В качестве полезного практического упражнения по использованию приведенного анализа интересующиеся читатели могут описать действие широтно-импульсного модулятора. Этот прибор периодически опрашивает каждый аналоговый канал в течение более короткого промежутка времени, чем время элемента, и преобразует полученные величины в импульсы постоянной амплитуды, возникающие с частотой опроса и имеющие ширину, пропорциональную полученным путем опроса величинам. Широтноимпульсный модулятор используется затем для управления светодиодами сканирующего индикаторного устройства.

Фиг. 9.12. Спектр изображения в системе с коммутатором.
2
9.5. Практические последствия выборки
К наиболее вредным последствиям выборки в системах тепловидения приводит временная выборка движущегося изображения при покадровом разложении и пространственная выборка при растровом разложении. Временная выборка вызывает сильное искажение формы небольших объектов, быстро движущихся перпендикулярно направлению сканирования, а пространственная выборка приводит к еще более нежелательным последствиям. Влияние выборки при растровом разложении подробно рассматривается Биберманом [И], который приводит результаты исследований Томпсона [12]. Томпсон определял распределение оптимальных дистанций наблюдения для изображений без растра и телевизионных изображений с растром. Он нашел (см. также разд. 4.8), что угловой размер экрана с растром, рассматриваемого с оптимального расстояния, составляет ~8°, а без растра наблюдатели предпочитают выбирать такую дистанцию наблюдения, при которой угловой размер экрана получается равным~16°. При числе активных строк ~480 на стандартном поле телевизионного экрана с угловым размером 8° одна строка видна под углом ~1', что согласуется с максимально допустимой угловой величиной строки растра по данным многих других исследователей.
Значение этого факта заключается в том, что при рассматривании искаженного растром изображения наблюдатель с помощью зрительной системы старается усилить эффект пространственной фильтрации после выборки, чтобы ослабить паразитные высокие
частоты, обусловленные растром. В результате у наблюдателей ухудшается восприятие как нужных, так и ненужных частот сигнала, и результирующее качество видения оказывается хуже, чем можно достигнуть при использовании безрастровых систем.
Другое последствие выборки при растровом разложении заключается в уменьшении предельного разрешения в направлении, перпендикулярном направлению сканирования. Это учитывается коэффициентом К, который для стандартного телевидения связывает число разрешаемых линий Rv по высоте картины и число активных строк Na, т. е. Rv = KNa. Согласно [13], экспериментальные значения К лежат в диапазоне 0,53  К  0,85; в практике американского телевидения принимается среднее значение 0,7.
Следующая проблема связана с тем, что растр мешает глазу осуществлять свободный поиск, замедляя его движение и отвлекая от цели. Конечный результат выборки сводится к тому, что объекты, которым соответствует фиксированная структура изображения, труднее обнаружить и опознать, чем в системе без выборки с теми же номинальными значениями разрешающей способности и чувствительности. Многим из нас трудно в это поверить, поскольку мы привыкли считать телевизионное изображение хорошим, когда ясно виден четкий растр.
Обычным дефектом многоэлементных систем является наличие неработающих каналов из-за неисправностей приемника, электронного или индикаторного устройства. При наличии такого дефекта либо оставляют одну строку неработающей, либо, если имеется такая возможность, подают на нее сигнал с соседней строки. При отсутствии нескольких строк такое решение уже неприемлемо, поскольку дефекты изображения будут постоянно отвлекать внимание. Установлено, что формирование для неработающей строки искусственного сигнала, являющегося усреднением сигналов двух каналов, прилегающих к неработающему, дает настолько качественное изображение, что дефект трудно обнаружить глазом; эта мера приемлема, конечно, лишь тогда, когда процент неработающих каналов остается низким.
Из определения ОПФ (гл. 3) и из приведенного обсуждения становится ясно, что понятие ОПФ применимо только к тем направлениям в изображении, в которых отсутствует выборка. Следовательно, требуется какой-то критерий качества изображения, полученного с выборкой. Для описания дефектов выборки можно использовать, например, относительную (в процентах) мощность спектра изображения, связанную с псевдочастотами. Другой возможной мерой является разрешающая способность для полос миры, ориентированных параллельно направлению сканирования. Ко времени написания этой книги не появилось удовлетворительного обобщающего критерия, позволяющего оценивать качество изображения, полученного с выборкой.

ЛИТЕРАТУРА

1. Mertz P., Gray F., A Theory of Scanning and Its Relation to the Characteristics of the Transmitted Signal in Telepnotography and Television, BSTJ, 13, 464-515 (1934).
2. Jenness J. R., Jr., Eliot W. A., Ake J. A., Intensity Ripple in a Raster Generated by a Gaussian Scanning Spot, JSMPTE, 549—550 (1967).
3. Callahan L. G., Brown W. B., Oneand Two-Dimensional Processing in Line-Scanning Systems, Appl. Opt., 2, 401—407 (1963).
4. Peterson D. P., Middleton D., Sampling and Reconstruction of WaveNumber-Limited Functions in N-Dimensional Euclidean Spaces, Information and Control, 5, 279—323 (1962).
5. Schade О. H., Sr., Image Reproduction by a Line Raster Process, Perception of Displayed Information, L. M. Biberman, ed. Ch. 6, Plenum, 1973.
6. Montgomery W. D., Some Consequences of Sampling in Image Transmission Systems, Research Paper P-543, Institute for Defense Analyses, 1969.
7. Wheeler H. A., Loughren A. V., The Fine Structure of Television Images, Proc. IRE, 540-575 (1938).
8. Scott R. M. et al., A Symposium on Sampled Images, Perkin-Elmer Corporation publication IS 10763, Norwalk, Connecticut, 1971.
9. Katzberg S. J., Huck F. O., Wall S. D., Photosensor Aperture Shaping to ReduceJAliasing in Opto-Mechanical Line-Scan Imaging Systems, Appl. Opt., 12, 1054-1060 (1973).1
10. Harmon L. D., Julesz B., Masking in Visual Recognition: Effects of Two- Dimensional Filtered Noise, Science, 180, 1194—1197 (1973).
11. Biberman L. М., ed. Perception of Displayed Information, Plenum 1973.
12. Thompson F. Т., Television Line Structure Suppression, JSMPTE, 66, G02—606 (1957).
13. Техника систем индикации, изд-во «Мир», М., 1970.