Системы объемного спектрозонального телевидения и их особенности
Первое десятилетие ХХI столетия в передовых странах мира характеризуется начальным этапом перехода к вещательному объемному телевидению, включающим формирование, передачу, прием и отображение объемных телевизионных изображений, которые играют важную роль в жизнедеятельности и досуге огромного числа людей нашей планеты. Объемные видеоинформационные технологии и системы по своей сути более полно моделируют зрительную систему человека и обеспечивают доставку видеоинформации для ее комфортного восприятия и видения на расстоянии в объемном виде.
Получение объемных телевизионных (ТВ) изображений наблюдаемого пространства в общем случае осуществляется с использованием передающих ТВ-камер, в которых датчики сигналов изображений разнесены между собой на базисное расстояние по аналогии с глазным базисом – расстоянием между центрами зрачков правого и левого глаз человека. Базисное расстояние для взрослых людей в среднем составляет величину 65 мм. Два ТВ-кадра, снятые с разных позиций, называют стереопарой [1]. Как известно, первое черно-белое объемное ТВ-изображение в СССР было получено в 1950 году, а объемное цветное ТВ-изображение в 1959 году коллективом кафедры телевидения Ленинградского электротехнического института связи (ЛЭИС), под руководством проф. П.В. Шмакова. Стереотелевизионная цветная установка ЛЭИС в 1962-м году демонстрировалась на ВДНХ в Москве [2].
На рис. 1 показаны разновидности формируемых изображений в системах объемного телевидения. Здесь выделены черно-белые, цветные и спектрозональные ТВ-изображения, которые могут быть одноракурсными или многоракурсными по полю кругового обзора [3, 4]. Для получения эффекта объемности рассматриваемых объектов необходимо, чтобы левый глаз человека видел изображение, формируемое ТВ-датчиком левой стереопары, а правый глаз – изображение от ТВ-датчика правой стереопары. Надо отметить, что восприятие объемного ТВ-изображения в своей основе использует бинокулярный метод смешения цветов, когда на сетчатку левого и правого глаз раздельно поступают световые потоки изображений, полученных с разных позиций их съемки.
Сепарация изображений стереопары для левого и правого глаз может осуществляться с помощью различных индивидуальных наглазных устройств (очков) или с помощью растровых устройств коллективного пользования. Очковый метод сепарации может быть поляроидным (изображения разделяются с помощью поляризации световых лучей во взаимно перпендикулярных плоскостях) или цветовым (разделяются по спектральному признаку). В последнее время начинают применяться новые методы и системы отображения для восприятия цветных объемных ТВ-изображений без использования наглазных устройств.
Сейчас активно ведутся исследования и разработки в области объемного вещательного и прикладного телевидения. Осуществляется внедрение и ввод в эксплуатацию систем объемного (3D) ТВ-вещания в таких странах, как США, Великобритания, Япония, Южная Корея, Германия, Россия и др. На первом этапе развития объемного ТВ-вещания предлагаются определенные виды передач, включающие кинофильмы, развлекательные шоу, спортивные передачи и т.д. Набирается разнообразный видеоматериал (видеоконтент) для формирования и осуществления передач программ объемного вещательного телевидения.
Надо отметить, что ранее единогласно было принято предложение России в МСЭ–Р (разработанное под руководством проф. Кривошеева М.И.) о начале стандартизации объемного 3D-телевидения, которое получило одобрение шестой Исследовательской комиссии
[5]. В данном предложении были изложены стратегия международной стандартизации цифрового объемного ТВ-вещания и пути практической реализации таких систем, обеспечивающих эффект присутствия зрителей в воспроизводимых изображениях. Хотя к середине 2013 года некоторые вещатели стали сворачивать 3D-проекты, вместе с тем сам процесс перехода к объемному телевидению продолжается и нарастает. Так, к концу 2013 года одна из ведущих телевизионных сетей Южной Кореи, компания SBS, стала первой в мире наземной ТВ-станцией, начавшей регулярные еженедельные трансляции программ в формате 3D [6].
Наряду с развитием вещательного объемного телевидения находят применение системы прикладного объемного телевидения. Так, например, ОАО “НИИТ” (Санкт-Петербург) разработало несколько модификаций таких систем [7]. Одним из вариантов является система дистанционного стереоскопического наблюдения за работой управляемого оператором манипуляторного устройства, находящегося в различных средах (воде, воздухе и космосе).
Общей тенденцией развития современного цифрового телевидения является поэтапный переход к системам с еще большим разрешением. Так, например, в системе Ultra High Definition Television (UHDTV) различают два уровня разрешения – 4K, что соответствует разрешению 3860х2160 элементов, и 8K с максимальным разрешением в кадре изображения 7680х4320 элементов, что в 16 раз превосходит разрешение стандарта HDTV [8, 9]. Поэтому в будущем можно предполагать, что объемное вещание формата 3D станет осуществляться также и со сверхвысокой четкостью в формате разрешения 4К и 8К. В работе [10] рассматриваются особенности объемного телевидения, дается их классификация, описываются различия формата 3D, 4D и т.д.
Разновидности и варианты формируемых объемных ТВ-изображений
В зависимости от решаемых задач наблюдения сигналы объемных ТВ-изображений могут формироваться различными способами. На рис. 2 показаны возможные разновидности и варианты формируемых объемных ТВ-изображений [3, 4]. Здесь отдельные ТВ-датчики – источники сигналов изображений левой и правой стереопары могут осуществлять формирование сигналов черно-белых (ч/б), цветных (цв) или спектрозональных (сз) двухмерных ТВ-изображений, на основе которых сформированы те или иные объемные изображения для решения как вещательных, так и прикладных задач. В качестве ТВ-датчиков могут быть применены известные ПЗС-матрицы, КМОП-фотоприемники или другие преобразователи лучистого потока в электрический сигнал изображения с использованием мозаичных фильтров [11].
В табл. 1 показаны разновидности и варианты объемных изображений для каждой стереопары и общее число возможных участков (зон) регистрации лучистого (светового) потока для формирования сигналов изображений.
Для формирования сигналов вещательных объемных черно-белых ТВ-изображений используется видимый (ВИ) участок спектра в интервале длин волн от 0,38 до 0,76 мкм.
Сигналы вещательных объемных цветных ТВ-изображений формируются за счет регистрации светового потока объектов в красной, зеленой и синей части ВИ области спектра, то есть в зонах регистрации ΔλR, ΔλG и ΔλB, которые согласованы со спектральными характеристиками зрительной системы человека. ТВ-изображения как левой, так и правой стереопары могут быть цветными или изображение одной из стереопары представляться в черно-белом варианте. Для последнего случая зритель будет также воспринимать цветное объемное изображение [2].
Формирование сигналов объемных ТВ-изображений может предусматривать регистрацию отраженного лучистого (светового) потока в отдельных зонах ультрафиолетовой (УФ), ВИ и ближней инфракрасной (ИК) области спектра в интервале длин волн от 0,25 до 2,5 мкм, которые не согласованы со спектральными характеристиками зрительной системы человека. Кроме этого регистрация излученного лучистого потока может осуществляться в тепловой ИК-области спектра в интервале длин волн 3,0–5,0 и 8,0–14,0 мкм. В этом случае можно говорить о системах объемного спектрозонального телевидения и формировании объемных спектрозональных ТВ-изображений в различных участках УФ-, ВИ- или ИК- областей спектра.
Особенности формирования объемных спектрозональных ТВ-изображений
При формировании объемных спектрозональных ТВ-изображений, выбираемые зоны регистрации лучистого потока могут располагаться в том или ином спектральном участке длин волн от λ1 до λn. Они могут быть фиксированными или не фиксированными, частично перекрываться, иметь разную ширину и т.д. Это позволяет выбирать такие информативные зоны регистрации в выбранных спектральных участках, которые обеспечивают максимально возможное различие объектов по их спектрально-энергетическим и пространственным признакам для большего числа сочетаний объектов в наблюдаемых изображениях.
Общее число однотипных или разных ТВ-источников, с помощью которых формируются сигналы спектрозональных объемных изображений, может быть различным. Общее число зон регистрации лучистого потока и спектрозональных сигналов (табл. 1) для формирования левой и правой стереопар может включать следующие комбинации сигналов: (1+1), (1+2), (1+3), (2+1), (2+2), (3+1), (3+2), (3+3) и т.д. Их общее количество может быть четным или нечетным числом.
Например, это могут быть зоны регистрации Δλ1, Δλ2, Δλ3 для ТВ-датчика левой стереопары и Δλ4, Δλ5, Δλ6– для ТВ-датчика правой стереопары с их общим числом равным (n+m)=6. То есть при таком подходе происходит увеличение общего числа используемых разных зон регистрации лучистого потока (вместо трех будет шесть).
Визуальное восприятие объемной спектрозональной видеоинформации может вестись в черно-белом или цветном вариантах. Для последнего случая на экране цветного видеоконтрольного устройства реальные объекты наблюдаемого пространства будут отображаться в условных цветах. Так, например, растительность может быть представлена в синем цвете, водная поверхность в красном и т.д.
Для решения отдельных задач наблюдения и распознавания объектов с использованием систем объемного спектрозонального телевидения достаточно выбрать зоны регистрации лучистого потока для ТВ-датчиков левой и правой стереопары, число которых равно величине 2≤W≤6. Так, например, при двухканальной оптической схеме расщепления лучистого потока минимальное число исходных зональных видеосигналов для каждого ТВ-датчика будет равно двум. То есть в этом случае могут использоваться две фиксированные зоны регистрации для каждого ТВ-датчика. Это могут быть, например, спектральные зоныΔλ1 и Δλ2 для левой и спектральные зоны Δλ3 и Δλ4 для формирования сигналов изображений правой стереопары.
Общее число зон регистрации лучистого (светового) потока объектов и формируемых сигналов изображений, используемых в системах объемного телевидения, может быть равно:
W = (n+m) = 2,3,4,5,…,(C + S), (1)
где n = 1,2,3,…,C — число формируемых сигналов ТВ-датчиком левой стереопары, а m = 1,2,3,…,S — число формируемых сигналов ТВ-датчиком правой стереопары.
Надо отметить, что объемные спектрозональные ТВ-изображения могут быть получены исходя также из комбинированного варианта формирования изображений левой и правой стереопары. В этом случае изображение, например, левой стереопары формируется в черно-белом или цветном виде, а изображение правой стереопары в спектрозональном варианте. При формировании объемных спектрозональных ТВ-изображений, в отличие от объемных черно-белых или цветных изображений, встает задача минимизации общего числа используемых зон регистрации лучистого (светового) потока и, соответственно, числа зональных видеосигналов правой и левой стереопар.
Скорость передачи цифровых сигналов объемных изображений
Как известно [2], скорость передачи ТВ-сигнала в цифровой форме равна произведению частоты дискретизации fd и числа двоичных символов в одном дискретном отсчете:
С(t)=fd∙k, (2)
где k – число двоичных символов в кодовой комбинации одного отсчета.
В табл. 2 показана исходная скорость передачи видеосигналов объемных изображений в цифровой форме в зависимости от числа ракурсов Р (при значениях частоты дискретизации видеосигнала fd = 13,5 МГц и k = 8). Для примера в качестве формируемых изображений здесь взяты черно-белые и цветные ТВ-изображения с зонами регистрации лучистого (светового) потока, согласно п.п. 1, 2 табл. 1.
Для передачи видеосигналов цифрового объемного телевидения требуются более широкополосные каналы связи по сравнению с передачей видеосигналов двумерного цветного телевидения. Увеличение числа ракурсов наблюдения приводит к повышению исходной скорости передачи видеосигналов для левой и правой стереопары в Р раз.
Общая скорость передачи видеосигналов в цифровой форме для одновременной передачи видеосигналов P-ракурсов при использовании устройств сжатия видеоинформации составит величину:
Счб=(P·216)/A1,Сцв=(P·512)/A2 (Мбит/с), (3)
где А1 и А2 – коэффициенты, учитывающие степень сжатия исходных черно-белых и цветных изображений.
Передающая и приемная части систем объемного телевидения
Схемы построения систем объемного телевидения, как и систем двумерного телевидения, включают их передающую и приемную части, между которыми могут быть устройства и среда распространения сигналов или устройства их видеозаписи и хранения с последующим воспроизведением и т.д.
В общем случае структурная схема передающей части системы объемного черно-белого, цветного или спектрозонального телевидения для одного ракурса наблюдения (рис. 3) включает передающую ТВ-камеру, например имеющую в своем составе левую (1б) и правую (1а) части (или две отдельные ТВ-камеры), которые разнесены между собой по горизонтали на базисное расстояние Во.
Данные части ТВ-камеры формируют сигналы изображений левой и правой стереопары. При этом, согласно табл. 1 и выражению (1), может быть различное сочетание ТВ-датчиков для формирования сигналов изображений левой и правой стереопары в черно-белом, цветном или спектрозональном варианте [4].
Каждая часть ТВ-камеры включает в себя объектив 2 с переменным (постоянным) фокусным расстоянием, устройство для расщепления входного лучистого потока F(λ) на несколько идентичных составляющих 3. Далее, в ТВ-камерах имеется n и m оптических фильтров 4, с одинаковыми или разными спектральными характеристиками Ф(Δλi), n и m преобразователей “лучистый (световой) поток – сигнал” 5, а также n и m блоков усиления и раздельной цифровой обработки сигналов 6. Кроме того, имеется блок формирования сигналов развертки (считывания) сигналов изображений 7, синхрогенератор 8, блок совместной цифровой обработки сигналов левой и правой стереопары 9. С выхода блока 9 сигналы поступают через коммутатор 10 или на входы устройства передачи сигналов по каналу связи 11 или могут быть поданы на устройство 12 для видеозаписи сигналов объемных изображений с последующей их передачей по каналу связи.
Передающая часть системы объемного телевидения работает следующим образом. Входной лучистый поток F(λ) поступает на объективы 2 левой (1б) и правой (1а) части ТВ-камеры. С помощью устройств 3 расщепляется на идентичные лучистые потоки. Они, пройдя оптические фильтры 4, которые могут иметь одинаковые или разные спектральные характеристики для левой и правой части ТВ-камеры, образуют отдельные лучистые потоки F(Δλi) и проецируются на рабочую поверхность преобразователей 5.
Здесь следует отметить, что в ТВ-камере, предназначенной для решения прикладных задач, могут быть использованы отдельные матричные преобразователи 5, для которых зоны регистрации лучистого потока могут быть выбраны вне ВИ-области спектра. На выходах преобразователей 5 формируются сигналы изображений левой и правой стереопары в виде:
U(Δλ1),…,U(Δλi),…,U(Δλm), U(Δλm+1),…,U(Δλm+i),…,U(Δλn). (4)
В блоке 9 также осуществляются операции суммирования сигналов синхронизации и изображений до их последующей передачи по каналу связи или видеозаписи.
На рис. 4 показана общая структурная схема приемной части системы объемного телевидения. Она включает: высокочастотный блок приема сигналов 13, блок выделения сигналов изображения левой и правой стереопары 14, селектор синхроимпульсов и генератор синхронизирующих и управляющих импульсов 15, n и m блоков обработки сигналов изображений левой и правой стереопары 16, коммутатор 17, устройство отображения объемной информации 18 и блок управления 19.
В приемной части системы объемного телевидения выделяются синхронизирующие сигналы и выполняются обратные операции по формированию исходных сигналов ТВ-изображений. При воспроизведении отдельных сигналов изображений левой и правой стереопары на экране отображающего устройства формируется объемные черно-белые, цветные или спектрозональные ТВ-изображения.
Надо отметить, что внедрение систем объемного спектрозонального телевидения для видеонаблюдения объектов окружающего пространства обеспечивает формирование видеоинформации в задачах удаленного доступа с широкими возможностями дистанционного контроля и управления различными процессами. Такие системы могут найти широкое применение в специализированных системах технического зрения и робототехнике.
Заключение
Значительные достижения в технике передачи и воспроизведения объемных изображений позволили применять системы телевидения не только в вещательной отрасли для просмотра ТВ-программ, видео- и кинофильмов в формате 3D, но и использовать их в самых различных областях науки, техники и промышленности.
Развитие прикладных систем объемного телевидения в сочетании с новыми телекоммуникационными и компьютерными технологиями обуславливает новую ступень их практического использования, позволяет осуществить на новом качественном уровне решение различного класса задач, связанных с видеонаблюдением и распознаванием объектов. В этом процессе важную роль будут занимать системы, формирующие объемные спектрозональные ТВ-изображения с использованием отдельных зон регистрации лучистого (светового) потока, не только в ВИ-, но и других областях спектра.
Отображение объемных спектрозональных ТВ-изображений может проводиться в условных цветах и использоваться для решения задач визуального анализа (с участием человека-оператора), а также для обнаружения и селекции заданных объектов, измерения параметров и их распознавания по спектрально-энергетическим и пространственным признакам в режиме автоматического анализа и формирования сигналов управления (без участия человека-оператора).
