Цифровые методы формирования и преобразования сигналов цветовых составляющих из черно-белых изображений

При разработке прикладных телевизионных (ТВ) систем, при анализе монохромных изображений часто предъявляются высокие требования к информативности воспроизводимого изобра- жения. Информация об объекте содержится в изменениях амплитуды видеосигнала и обычно отображается в виде изменений яркости на экране видеоконтрольного устройства. Теоретически число различимых на изображении градаций яркости ограничивается только шумами. Однако при практической реализации ТВ системы за счет ограничений, накладываемых воспроизводящей электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ), контраст мелких деталей почти на порядок ниже теоретического.

Для увеличения числа различимых градаций яркости изображения используют кодирование уровней видеосигнала цветом. При этом входной сигнал через несколько параллельных каналов с подобранными соответствующим образом ампли- тудными характеристиками подают на входы ЭЛТ для управления цветом свечения экрана. Алгоритм цветового кодирования однозначно определяется формами этих характеристик. Необходимо оптимизировать характеристики каналов формирования цветовых сигналов таким образом, чтобы приблизить информационную емкость ТВ системы к ее теоретическому пределу.

Цветокодирующие ТВ системы могут быть с монотонными и разрывными амплитудными характеристиками каналов формирования. Анализ показывает, что последние, давая большее увеличение амплитудной разрешающей способности ТВ системы, при низком отношении сигнала к шуму приводят к полному разрушению изображения [1]. Монотонное преобразование яркости в цвет в принципе может быть полностью согласованно с цветоразличительными свойствами зрения. Известны решения этой задачи на базе аналоговой схемотехники с различной степенью приближения к оптимальным вариантам. Перспективным является использование для этих целей цифровой техники.

Составляющие цветного изображения

Информационная емкость системы зависит не только от числа различимых градаций яркости изображения, но и от ее пространственной разрешающей способности. В большинстве практических применений цветового кодирования это не имеет существенного значения и даже может играть положительную роль, ограничивая перегрузку оператора излишней информацией, однако в прикладных ТВ системах в силу специфики проведения анализа указанные ограничения в звене преобразования сигнала в изображение недопустимы. Поэтому вопросам цветокодиро-вания и повышения разрешающей способности изображений при обработке сигналов следует придавать должное внимание. Очень часто в производстве, в медицине, искусстве, при проведении научных исследований возникает необходимость раскрашивания черно-белых изображений с целью повышения их информативности, художественной ценности (например, раскрашивание черно-белых фотографий и художественных фильмов).

Для успешного решения упомянутой проблемы необходимо знать основные характеристики сигналов зрительного восприятия человеком цветовых изображений. Основной закон смешения утверждает, что любые четыре цвета находятся в линейной зависимости. Иначе говоря, любой цвет может быть выражен через любые три взаи-монезависимые цвета:

f'F = r'R +g'G + b'B,             (1)

где / F – излучение произвольного состава; F – его единица; f – количество единиц; R,G,B – единицы количества основных цветов (например, Вm ); r\g',b' – модули этих цветов.

Для определения только качественной характеристики светового потока цветности F достаточно знать не абсолютные, а относительные количества основных цветов r , g , b :

r = ^r' = -; g = ^g' = ^;

r’+g’+b’ in ’      r'+g'+Z?' m ’

, b' b' b =-------= — , r’+g’+b1 m где m = r'+g’+b’- цветовой модуль; r+g+b=\ – координаты цветности. Известно, что яркость смеси равна сумме яркостей смешиваемых цветов, то есть:

f’ = r’+g’+b’,

Цвет F носит название единичного цвета, сумма его координат равна единице.

При анализе черно-белых изображений возможности зрительной системы человека используются не полностью; происходит зрительная потеря информации из-за рассогласования объема содержащейся информации в черно-белом изображении с возможностями (пропускной способностью) зрительного анализатора. Поэтому независимо от типа телевизионной (ТВ) системы, области ее применения в большинстве случаев целесообразно представлять изображение в цвете. Цвет обеспечивает согласование параметров изображения c физиологическими особенностями зрения и является трехмерной величиной, так как полностью использует зрительный аппарат человека: палочки (яркость), колбочки (цветность: цветовой тон и насыщенность). Цвет определенных деталей исследуемого объекта количественно определяется координатами х и y на плоскости XOY цветового графика системы XYZ . В отличие от cиcтемы R , G , B в системе XOY координаты цветности всегда положительны:

x= ,X, , >0. ^ = -^—->O, где .x'+y'+z'           x’+y’+z’ x’= p(A)Tx(A)p(A)d(A),

У= р(Л)т_у(Л)р(ЛМЛ),

А z'= p(A)rz(A)p(A)d(A),           (4)

Я[ — Х-> – диапазон длин волн видимого участка спектра (для спектрозона л ьны х сис т ем – невидимых участков спектра); xW,yW,zW – удельные координаты системы XYZ ; г(2) – спектральная характеристика пропускания датчика видеосигнала; /?(/!.) – спектральная характеристика источника излучения.

Основные способы цветокодирования

Приведенные соотношения (4.4) показывают, что чувствительность датчика сигналов должна быть избирательной к излучениям красного, зеленого и синего цветов. Требование получения 3-х сигналов на выходе передающей ТВ-камеры в сильной степени усложняет ее как в схемном, так и в конструктивном отношениях, что не всегда выполнимо. В то же время черно-белое ТВ изображение можно окрасить в условные цвета в зависимости от амплитуды видеосигнала. Тем более что некоторые изображения по своей природе черно-белые. При решении этой проблемы возможны два способа раскрашивания.

Первый способ: cпектральная характеристика датчика сигналов tW должна быть монотонно возрастающей или убывающей в спектре передаваемых длин волн. Это позволит в первом приближении судить о цвете исследуемого объекта по изменению яркости. Раскрашивание по этому способу делает изображение более близким к натуральному, так как определенному уровню яркости здесь будет соответствовать по спектральной характеристике заданная цветность, определяемая длиной волны излучения источника. Недостаток этого способа – необходимость подбора соответствующих фильтров для датчика сигналов.

Второй способ не требует использования фильтров и поэтому свободен от названного выше недостатка, что упрощает датчик сигнала и повышает его чувствительность за счет исключения фильтра. Здесь каждому мгновенному значению яркости присваиваются условные цвета, не отражающие истинный цвет объекта [2].

Действительно, о каком цвете можно говорить, например, при рентгеновском просвечивании, при исследовании молекулярного строения вещества в электронной микроскопии. Исключение составляет эндоскопия, где наблюдение внутренних органов проводится при искусственном освещении и цвет несет важную диагностическую информацию.

Во всех других случаях применяется искусственное раскрашивание изображений для лучшего представления их наблюдателю – так называемое цветовое кодирование.

Сущность метода цветового кодирования заключается в преобразовании черно-белого изображения в цветное по признакам, отображающим определенные свойства изображения. Эти признаки могут быть самыми различными. Например, разделение изображения на цветные области можно производить по значениям сигнала в разных спектральных диапазонах регистрируемого излучения (спектрозональное кодирование) по амплитуде видеосигнала (амплитудное кодирование), по величине сигнала в разных диапазонах спектра пространственных частот (частотное кодирование), по величине сигнала межкадровой разности.

Правильное кодирование превращает очень сложную задачу распознавания образов в простую и доступную. Это достигается тем, что плавному изменению яркости исследуемого объекта должно соответствовать и плавное изменение цвета.

При нахождении оптимального алгоритма цветокодирования черно-белого изображения необходимо учитывать прежде всего свойства человеческого зрения при восприятии цветных изображений [4]. Кроме того, не следует забывать, что цветокодированное изображение должно нести максимум информации, и ее распознавание при анализе полученного цветного изображения, путем сравнивания его с исходным черно-белым изображением не должно быть трудоемким. То есть максимум получения информации и легкость ее распознавания – являются главной задачей при цветокодировании черно-белых изображений.

Напрашиваются два основных метода реализации цветового кодирования. Первый заключается в том, что видеосигнал черно-белого изображения в прямой и обратной полярности подается на управляющие цветом электроды преобразователя «сигнал-свет». Достоинство метода – простота. Недостаток – незначительное повышение информационной емкости.

Второй метод кодирования амплитуды сигнала заключается в том, что с помощью специального устройства, управляющего тремя прожекторами преобразователя «сигнал-свет», осуществляется разделение динамического диапазона сигнала на несколько участков, затем каждый участок растягивается на весь динамический диапазон преобразователя в необходимых для получения результата сочетаниях. Число реализуемых цветов зависит от способа цветокодиравания. Определение числа реализуемых цветов по известной формуле:

ст =___-___11 т'Хп-тУ

не является корректным, так как имеются субъективные причины, вносящие погрешности в расчеты.

Поэтому для исключения субъективности при определении информационной емкости цветного изображения найдем объем сигнала цветного изображения.

Пусть в черно-белом изображении S ₁ – число различимых градаций яркости, а N ₁ – число элементов в строке, имеющих различную яркость; Z ₁ – число строк в кадре. Тогда число комбинаций из элементов с различной яркостью (то есть число возможных сочетаний из S ₁ по N ₁ с повторениями, отличающимися хотя бы в одном элементе), которое можно получить в одной строке C ₁' и в одном кадре C ₁ черно-белого изображения (количество возможных изображений, сообщений), будет равно

CX=S^; CX=S^'N'.          (6)

В цветном телевидении один элемент полного изображения с цветом смеси трех основных цветов экрана приемника составляется из трех элементов с этими цветами. Поэтому число комбинаций C ₂ из элементов различных цветов с различной яркостью в одном кадре с числом строк Z будет равно

C₂=S^,              (7)

где S ₂ и N ₂ – число различимых градаций яркости и число элементов в строке каждого основного цвета соответственно. Если

Z, = Z₂ = Z, N\ = N₂ = N, S_t=S₂ = S, to C₂ = C³; ^- = S^2ZN = (S^ZNf.           (8)

Здесь произведение ZN можно назвать разрешающей способностью системы, определяющей число элементов в кадре.

Таким образом, в цветном телевидении возможное количество воспроизводимых изображений (кадров) увеличивается в сравнении с черно-белым телевидением (при прочих равных параметрах) в ( S^ZN )² или C ₁² раз. При этом с ростом разрешающей способности (величина ZN ) отношение C ₂/ C ₁ растет.

В теории передачи сообщений под количеством информации (количество сведений) A в двоичном исчислении, содержащейся в сигнале, понимается логарифм числа комбинаций C при основании 2, то есть

^-lg2C. (9)

Тогда в черно-белом телевидении A =ig2Q, в цветном телевидении ^2 _ 1§2 Q- Иными словами

Л = lg2 C2 = lg2 C3 = 31g2 c, = 24 . (10)

Таким образом, объем (количество) информации, передаваемой по каналу связи, в цветном телевидении при формате 4:4:4 в три раза больше, чем в черно-белом телевидении. Но количество кадров в комбинации, отличающейся по содержанию хотя бы в одном элементе (пикселе), во много раз больше.

Иными словами, в этой комбинации кадров хотя бы один кадр отличается от другого в одном элементе изображения. При цветокодировании мы анализируем один цветной кадр и сравниваем его по содержанию с исходным, черно-белым. В отличие от сигнала, несущего информацию по каналу связи к приемному устройству, при цветовом контрастировании приемником информации является глаз, свойства которого мы должны знать и учитывать, чтобы получить максимум визуальной информации. Поэтому при оценке информационной емкости цветокодированного изображения будем анализировать один элемент изображения, который изменяет свою яркость, цветовой тон и насыщенность в разных пропорциях. Число таких комбинаций (сочетаний) будет, несомненно, в несколько раз (тысяч) больше, чем в черно-белом изображении, а следовательно и информации, которую в черно-белом изображении мы не видели. Один элемент в черно-белом изображении может принимать примерно 100 значений (уровней) яркости, а каждый уровень яркости из 100 может иметь 120…180 значений цветовых оттенков. Итого 100×180 = 18000 значе- ний. А если учесть, что каждое из 18000 значений будет иметь и разную насыщенность порядка 10 и более, то общее количество сочетаний для одного элемента будет составлять 100×180×10 = 180000. Естественно, что при анализе изображений в результате адаптации глаз не в состоянии воспринимать такое большое количество информации, но, бесспорно, цветовое контрастирование облегчает распознавание и визуально повышает информационную емкость черно-белых изображений.

В свете сказанного большое значение приобретает выбор оптимального алгоритма цве-токодирования черно-белого изображения: при раскрашивании черно-белого испытательного изображения «КЛИН» яркость цветного клина должна возрастать – черному должны соответствовать темные цвета (синие), белому – желтозеленые и даже с заходом в белый цвет E . Алгоритм цветокодирования, по возможности, должен охватывать насыщенные цвета.

Для извлечения максимальной визуальной информации из черно-белого изображения динамический диапазон сигнала от черного до белого должен быть разбит на несколько участков, каждый из которых растягивается на полный динамический диапазон цветного преобразователя «сигнал – свет».

Применение того или иного метода кодирования зависит от конкретных требований, предъявляемых к такого вида устройствам. Использование дискретных методов и персональных компьютеров позволяет решить вышеназванные задачи оперативно без внесения сопутствующих аналоговым методам ошибок в цветокодированное изображение.

Выводы

• 1.    Повышенный интерес к цветовому раскрашиванию черно-белых изображений связан прежде всего с повышением информационной емкости и художественной ценности изображений. Механические способы раскрашивания (как это делали фотографы с черно-белыми снимками) не решают поставленной задачи в глобальном масштабе. При раскрашивании черно-белых изображений исследователь (ученый) должен иметь дело не с самими снимками, как это делали раньше фотографы, а с сигналами этих изображений. При этом цифровые способы формирования и преобразования сигналов черно-белых изображений с использованием персональных компьютеров оперативно решают поставленные задачи, которые не могут быть решены аналоговыми методами.

• 2.    Черно-белое изображение несет информацию только о яркости объекта. При цветокодиро-вании из яркостного сигнала формируют цветовые сигналы U_R , U_G и U_B , несущие информацию о яркости, цветности и насыщенности. Информационная емкость такого изображения на несколько порядков выше исходного.

• 3.    При этом необходимо помнить, что информационная емкость черно-белого и цветного изображений не меняется, но различимость (визуальная емкость) деталей резко возрастает за счет трехмерности цветного изображения (яркость, цветность и насыщенность). При наблюдении черно-белого изображения возможности зрительной системы человека используются не полностью.

• 4.    При цветокодировании не следует забывать, что цветное изображение должно нести максимум информации и ее распознавание при анализе полученного изображения путем сравнения с исходным, черно-белым, не должно быть трудоемким.

Таким образом, цветовое контрастирование черно-белого изображения повышает визуальную информационную емкость исходного изображения. Хотя содержащаяся в изображении информация не увеличивается, но благодаря лучшему согласованию его параметров с особенностями зрения возможности и резервы зрительной системы человека используются более эффективно.