Исследования и разработка методов и аппаратуры обработки информации в технических комплексах телерадиовещания

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Исследования и разработка методов и аппаратуры обработки информации в технических комплексах телерадиовещания

Специальности: 05.13.01 - системный анализ, управление и обработка информации (вычислительная техника и информатика)

05.12.04 - радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

Мкртумов Александр Сергеевич

Таганрог Ї 2008

Личный вклад автора в работах, выполненных в соавторстве

[12] - разделы монографии;

[42] - теоретическое обоснование;

[3, 29, 39, 40, 53] - часть теоретического обоснования;

[4, 30, 32] - разработка методики и постановка эксперимента;

[5, 6] - проведение эксперимента;

[37] - постановка задачи, теоретическое обоснование;

[7] - постановка задачи, теоретическое обоснование, аналитические расчеты, разработка методики и постановка эксперимента, проведение эксперимента;

[34, 35, 36, 41, 43, 46, 48, 51, 52] - постановка задачи, разработка методики и постановка эксперимента;

[27] - постановка задачи, часть теоретического обоснования;

[1, 2] - аналитические расчеты, проведение эксперимента;

[28, 31] - часть аналитических расчетов, разработка методики и постановка эксперимента;

[55, 56] - постановка задачи, разработка методики и постановка эксперимента, проведение эксперимента.

1. Общая характеристика работы

Актуальность темы. Наиболее массовым средством информационного обеспечения населения является аудиовизуальная информация телерадиовещания, в формировании и передаче которой участвуют технологические комплексы и технические средства, активно изменяющиеся в настоящий период в связи с переходом вещания от аналоговых к цифровым методам подготовки и распространения программ. Цифровые технологии подготовки программ слились с новыми компьютерными технологиями, усложнились внедрением различных способов сжатия и цифровой модуляции. В настоящее время актуальность обеспечения качества программ возросла. Это вызвано как переходом на цифровые технологии, так и кардинальными изменениями структуры отрасли вещания в новейший период (15 лет), приведшими к более чем десятикратному росту числа телерадиокомпаний всевозможных размеров и форм собственности. Поэтому проблемы качества связаны и с появлением новых факторов, вызывающих искажения информации, и с необходимостью разработки новых подходов к методам контроля качества, актуализации нормативно-технической базы телерадиовещания. Предметом данной работы являются исследования и разработка методов и аппаратуры обработки информации в технических комплексах телерадиовещания, направленные на ее анализ, обработку и управление качеством.

Теоретические и практические предпосылки к проведению этих исследований содержатся в работах М.И. Кривошеева, Б.М. Певзнера, В.П. Дворковича, К.Ф. Гласмана, Л.Л. Полосина, Л.Г. Лишина, С.Р. Немцовой, И.Б. Соколовой и других исследователей.

Целью данной работы является разработка комплекса научно обоснованных решений проблемы повышения технического качества аудиовизуальной информации телерадиовещания, имеющей важное социально-культурное и хозяйственное значение.

Для достижения этой цели ставились и решались следующие основные задачи:

? анализ состояния проблемы качества в телерадиовещании по методам, средствам и организации контроля;

- оптимизация методов контроля качества аудиовизуальной информации телерадиовещания;

- исследования и разработка оптимизированных средств контроля качества изображения и звука в телерадиовещании;

- разработка критериев экологической безопасности телерадиопродукции и методов контроля и коррекции экологических факторов риска;

- исследования и разработка способов и устройств для повышения качества изображения и звука.

Методы исследований. В диссертации приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований, полученных с использованием методов системного анализа (построение и верификация моделей, оптимизация методами локального поиска в глубину, в ширину, с возвратом, имитационное статистическое моделирование, трансформация, визуализация и отображение, нечеткая логика), теории передачи изображений по электрическим каналам связи, теории радиотехнических сигналов и цепей, теории дискретизации сигналов, статистической радиотехники, интегрального исчисления, теоретической механики, математического аппарата колориметрии, теории зрения и инженерной психологии.

Научная новизна проведенных исследований состоит в следующем:

1. Разработаны принципы системной оптимизации алгоритмов контроля качества телерадиопродукции.

2. Определены критерии и проведена оптимизация структуры тестовых данных методик измерений параметров звуковых трактов и видеотрактов.

3. Впервые разработан и применен в практике метод дистанционной диагностики трактов формирования и передачи телерадиопрограмм в различных алгоритмах его работы. Предложены принципы и проведена разработка системы автоматизированной дистанционной диагностики трактов.

4. Сформулировано новое понятие телерадиопродукции допустимого качества, необходимое для регламентации ее экологических параметров. Разработаны критерии принятия решений для выявления и устранения экологических факторов риска и видеодефектов. Предложено новое техническое решение для автоматизированного выявления экологических факторов риска и видеодефектов.

5. Разработаны основные принципы и системный ряд отраслевых стандартов, определяющих требования к параметрике трактов и методам ее измерения, процедуры проверки соответствия, правила эксплуатации технических средств телевидения и радиовещания. Разработан базовый алгоритм проблемно-ориентированной диагностики состояния технической базы производства телерадиопродукции.

Решение поставленных задач позволяет автору выносить на защиту следующие положения:

- разработка системного подхода к обеспечению гарантированного качества телерадиопродукции, предъявляемой конечному потребителю в телерадиовещании при переходе к цифровым методам вещания;

- общая концепция системной оптимизации технологии контроля качества телерадиопродукции, включая метод универсальных тестовых файлов (УТФ) и дистанционную диагностику трактов формирования и распространения телерадиопрограмм, основанные на конвергенции технических средств вещания и информационных технологий;

- новый подход к обеспечению зрителя/слушателя экологически безопасной телерадиопродукцией.

Практическая значимость работы.

Действующий ряд разработанных стандартов, включая ГОСТ 52722-2007, составляет основу нормативной базы качества тракта формирования отечественной телерадиопродукции.

Студийный видеомагнитофон «Кадр-103СЦ» с разработанными подсистемами и измеритель временного рассогласования ИВР-1 получили внедрение в производство и использование в отрасли вещания.

Созданы методики диагностики по методу УТФ и разработанные для них программные комплексы измерений звуковых трактов и колориметрии теле- и видеокамер и аппаратно-программные комплексы диагностики компонентных видеотрактов с возможными включениями переходов в PAL и кодеров СЕКАМ. Разработанные методы УТФ и дистанционной диагностики при широком практическом внедрении составляют базу для реального по технико-экономическим показателям повсеместного контроля качества телерадиопродукции и могут использоваться для диагностики трактов в режиме текущего вещания.

Разработанные критерии и пути обеспечения экологической безопасности телерадиопродукции служат основой для реализации комплексных мер в данном направлении.

Предложенные системы развертки сигналов изображения в приемнике ТВЧ и двухканального цифрового звукового сопровождения в системе ЦТ СЕКАМ отличаются повышенной технико-экономической эффективностью.

Разработанная методология использования инструментов стандартных звуковых программ позволяет проводить измерения полного набора видеопараметров без использования аппаратных средств.

Реализация результатов работы.

Теоретические и практические результаты работы использовались в НИР, ОКР и других работах ВНИИТР, учреждения «Телерадиотест» и НИЦРИТ, по итогам которых:

- выпуск видеомагнитофонов 2-го поколения «Кадр-103СЦ», параметры качества которого были обеспечены в результате исследований, изложенных в главе 4, был произведен в количестве более 600 единиц и составил основу обновления парка видеозаписи государственных телекомпаний;

- разработаны и внедрены следующие нормативные документы:

ГОСТ Р 52722-2007 «Каналы передачи цифровых телевизионных сигналов аппаратно-студийного комплекса и передвижной телевизионной станции цифрового вещательного телевидения. Основные параметры и методы измерений»;

ОСТ 58-18-96 «Техническая база производства телерадиопродукции. Методы сертификации. Общие требования. Основные параметры и методы испытаний»;

ОСТ 58-21-00 «Техническая база производства телепродукции. Общие требования. Основные параметры»;

ОСТ 58-22-00 «Техническая база производства радиопродукции. Общие требования. Основные параметры. Классификация уровней качества»;

ОСТ 58-23-01 «Оборудование цифровое для формирования телепрограмм. Основные параметры. Методы измерений»;

ОСТ 58-30-03 «Таблицы отражательные телевизионные для цифрового телевидения. Общие технические требования»;

ПТЭ-2001 «Правила эксплуатации технических средств телевидения и радиовещания»;

СТП 47-13-00 «Порядок организации, подготовки и проведения работ по сертификации технической базы производства телерадиопродукции в учреждении «Телерадиотест»»;

СТО НАТ 001.Т-01.2007 «Уровни сигналов в каналах звукового сопровождения аналогового и цифрового телевещания»;

- с 1997 г. в отрасли успешно функционирует Система «Телерадио», базирующаяся на результатах разработок, описанных в гл. 5, посредством которой были проведены испытания технической базы более тысячи телерадиокомпаний;

- разработанные методы программно-файлового анализа и дистанционной диагностики были эффективно применены для сертификационных испытаний технической базы 26 телерадиокомпаний;

- разработанный измеритель временного рассогласования изображения и звука ИВР-1 выпускается, применяется по назначению и рекомендован как средство измерений в 3 новых ГОСТах по ТВ.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на II научно-технической конференции ВНИИТР (Москва, 1983 г.), 6-ой, 7-ой, 8-ой, 9-ой, 10-ой и 11-ой Международных конференциях «Организационно-правовые финансовые и научно-технические аспекты современного телевидения и радиовещания», (Софрино, 1996 г., 1998 г., 2000 г., 2001 г., 2002 г., 2003 г.), Научно-практическом семинаре «Праздник прогресса и будни практики телерадиовещания» (Софрино, 1999 г.), 1-й, 2-й и 3-й Международных научно-технических конференциях «Спутниковое и кабельное телевидение ХХI века» (Москва, 1999 г., 2000 г., 2003 г.), II - VI, X и XI Международных конгрессах НАТ «Прогресс технологий телерадиовещания» (Москва, 1998 г., 1999 г., 2000 г., 2001 г., 2002 г, 2006 г., 2007г.), Международной научно-технической конференции «Интеллектуальные системы (AIS'07)» (Дивноморское, 2007 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 57 печатных работ, в том числе одна монография и 14 патентов и авторских свидетельств на изобретения и свидетельств на полезную модель.

2. Содержание работы

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, приведена цель работы, указаны методы исследования, дано краткое содержание основных разделов диссертации, отмечена научная новизна, приведены сведения о практической ценности, реализации и внедрении, апробации диссертационной работы. Отмечены факторы, определяющие важность проблемы качества телерадиопродукции для общества и самих вещателей:

- социальная значимость и защита прав потребителя;

- экологическая безопасность вещания;

- конкурентоспособность программы.

Приведены роль и место данных факторов на современном этапе.

В первой главе рассматривается современное состояние технологического процесса формирования и распространения телевизионных и радиовещательных программ с позиций контроля их технического качества. Рассмотрены в основных проявлениях признаки эволюции данных процессов. Наиболее подробный анализ проводится для трактов формирования телевизионных программ. Показано, что новейший период развития привел к радикальному увеличению числа технологических вариантов их построения, особенно при формировании телепрограмм. Подытоживается динамика изменений в отечественном ТВ. Анализируется деградация параметров качества изображения и звука и ее контроль в аналоговых и цифровых трактах вещания, приводится классификация дефектов, вызванных шумами и помехами, линейными и нелинейными искажениями в аналоговых трактах. На основе выборочных данных по сертификации технической базы 154 телекомпаний и 87 радиокомпаний в 2003-2006 гг. охарактеризована степень деградации параметров качества на выходе трактов формирования программ (ТФП). Показано, что подавляющая часть случаев реальной деградации качества изображения и звука вызывается набором искажений, вполне определяемых классическими методами измерений вещательных трактов при условии обеспечения адекватности этих методов компонентной и цифровой формам представления сигналов. Из статистических данных следует, что параметры технической базы многих компаний ставят теле- и радиопродукцию на грань допустимого в вещании качества изображения и звука.

Проведен анализ метрологического обеспечения, показывающий, что базовая нормативная документация (НД) не отражает специфики измерений параметров сигналов компонентных и цифровых трактов, которые, начиная с 1990 г., все шире внедрялись в состав ТФП. Работа по приведению нормативной базы в более адекватное состояние представлена в главе 5. Предложения автора по коррекции методик измерений ряда параметров изложены в главе 2.

Определена номенклатура технических факторов аудиовизуальной информации, способных привести к риску опасного психофизиологического воздействия на потребителя. Из проведенного анализа следует необходимость мер для обеспечения психофизиологической безопасности телерадиопродукции.

Далее рассмотрено влияние организационных и экономических факторов на реальное состояние и эффективность контроля качества телерадиопродукции. Показаны отсутствие в настоящее время механизма обязательного внешнего контроля качества и малая эффективность внутреннего контроля в телерадиокомпаниях, не обладающих необходимыми ресурсами (рис.1).

Рис. 1. Проблемы диагностики трактов ТВ и РВ

С учетом анализа указанных на рис.1 ресурсных потребностей проведен расчет минимальной стоимости организации контроля качества в производстве телерадиопродукции на базе существующих методик, показывающий неприемлемый масштаб расходов для большой части ТРК. Сделан вывод о необходимости разработки методов и алгоритмов диагностики состояния трактов вещания с более высокой технико-экономической эффективностью.

Во второй главе проводится определение требований к системной оптимизации технологии контроля качества телерадиопродукции. Построена информационная модель системы управления техническим качеством телерадиопродукции (СУТКТ, рис. 2*), которой более 10 лет является в отрасли вещания система сертификации «Телерадио».

Рис. 2. Схема потока данных в системе управления качеством технической базы ТРК

*Обозначения символов операторов по ГОСТу 19.701 (ИСО 5807-85)

Поясним работу схемы.

Комплекс ТРК - телерадиокомпания.

Комплекс УНО - уполномоченной нотифицированной организации - включает орган по сертификации (ОС), испытательный центр (ИЦ) и базы НД, в том числе по методам испытаний и нормам на параметры тракта.

Комплекс ОГР - орган госрегулирования в области телерадиовещания.

Потоки данных для наглядности в очередности этапов имеют номера N'.

1' - пакет сведений от ТРК в УНО для проведения испытаний:

а)заявка на сертификацию;

б) схема техпроцесса подготовки и выдачи программ (блок- схема тракта, описание технологии);

в) перечень оборудования.

2' - разработка рабочей программы (РП) записи рабочих материалов (РМ) на базе норм на методы испытаний.

3' - направление и согласование РП с ТРК.

4', 5' - запись РМ в тракте согласно РП.

6' - направление РМ в УНО.

7' - измерение параметров тракта.

8' - определение оценки соответствия на базе норм на параметры.

9' - передача в ОС заключения ИЦ о степени соответствия технической базы требованиям НД

10', 10'' - извещение ТРК и ОГР о результатах испытаний и выдаче или отказе в выдаче сертификата соответствия.

11' - действия ТРК по коррекции тракта (в случае необходимости) и повторение алгоритма действий, начиная с 4'.

12', 12'' - разрешение или отказ ОГР в выдаче (пролонгации) ТРК лицензии на вещание.

Как видно из рис. 2.1, система включает 2 петли обратной связи от результатов испытаний - непосредственно к ТРК и через ОГР. В работе показано место каждого из представленных в разделах ее содержания исследований в процессе функционирования СУТКТ.

Для разработки метода диагностики состояния вещательных трактов с повышенной технико-экономической эффективностью в работе определяются общие требования к методу и далее проводится выбор технических решений для частных задач.

Объектом испытаний параметров качества является тракт, объектом оптимизации - более широкая система контроля качества тракта (СККТ), которая в целом по своим функциям и иерархии является частью СУТКТ, играющей по отношении к ней роль системы более высокого порядка (суперсистемы). Целью оптимизации СККТ является снижение затрат на ее организацию и функционирование как свойств системы относительно целей и задач суперсистемы, т.е. управления качеством телерадиопродукции. Модель функционирования СККТ как схема обработки данных может быть представлена в виде, показанном на рис. 3.

.

Рис. 3. Обобщенная модель СККТ

1 - подсистема (ПС) действий оператора (человека) по организации процесса испытаний, включая подачу тестовых сигналов и анализ выходных данных.

2 - ПС подачи тестовых сигналов на вход тракта и регистрации и анализа выходных сигналов тракта.

3 - ПС подсистема «испытуемый тракт».

4 - ПС синтеза результирующей оценки с переключением на коррекцию тракта (ПС 3).

5 - ПС действий по коррекции ПС 3 при несоответствии требованиям.

6 - пункт назначения данных/конец работы алгоритма.

А - поток данных (ручных команд) от 1 к 2.

Х - вектор входных переменных тракта.

Y - вектор выходных переменных СККТ (он же - вектор внутренних переменных тракта 3).

Z - вектор внутренних переменных СККТ (он же - вектор выходных переменных тракта 3).

В - поток выходных данных подсистемы 2 к испытателю 1.

Y? - измеренные значения полного набора видео- и/или аудиопараметров Y тракта.

Критерием оптимальности (он же целевая функция - ЦФ) в данном случае является минимум стоимости организации и функционирования СККТ. Обозначим значение ЦФ ? С, тогда С = , где С_i - стоимость затрат по каждой из 4 ресурсных потребностей, указанных в гл. 1. Присвоим им номера в произвольном порядке, например: 1 - квалификация испытателя; 2 - время испытаний; 3 - стоимость аппаратуры; 4 - поддержание аппаратуры в рабочем состоянии. Совокупность признаков, определяющих значение С_i, назовем областью оптимизации О_i. Установим принадлежность каждого из О_i совокупностям признаков М_n подсистем (ПС_n) модели СККТ. Тогда:

1) О₁ (квалификация персонала) М₁М₂;

2) О₂ (время испытаний) М₁М₂;

3) О₃ (стоимость аппаратуры) М₂;

4) О₄ (поддержание аппаратуры в рабочем состоянии) М₂.

Далее проведен поиск локальных оптимумов (минимумов) для каждого С_i методом ветвей и границ в варианте поиска в глубину. Так, для С₁ оптимальным вариантом оказывается адаптация измерительной аппаратуры (ПС 2) к оператору (ПС 1), что соответствует решению в области О₁ в виде программного метода генерации и анализа комплексных тест-сигналов; это же решение оптимально для С₂ с дополнительным условием минимизации длительности тестовых сигналов что адекватно условию расчетно допустимой минимизации объема тестовых данных. Для С₃ оптимальна адаптация О₃ к тракту как среде взаимодействия, т.е. организация работоспособного комплекса измерительной аппаратуры, сочетающая минимум цены с широкими измерительными возможностями. Сегодня таким решением однозначно является использование в качестве средств измерений компьютеров с платами ввода-вывода аудиовидеосигналов и целевым программным обеспечением, что и является локальным оптимумом как для С₃, так и для С₄.

Данное решение («вариант Х₄») требует вместе с тем ответа на вопрос о гарантированной точности измерений и возможности периодического подтверждения этой точности. Если одна или две компьютерные станции используются как отдельная (сторонняя для испытуемого тракта) измерительная установка, то уровень требований к ее параметрам зависит, согласно принципам метрологии, от допусков на нормативные значения соответствующих параметров испытуемого тракта. Поэтому эти требования могут быть определены в соотношении с допусками используемых пользователем норм. Эти соотношения рассчитаны с достаточным запасом по точности, исходя из законов суммирования различных видов искажений, и предложены в работе в таблицах для видео- и звуковых трактов.

Однако это решение ещё не является глобальным оптимумом. Следующий шаг оптимизации в области О₃ отличается тем, что функцию средств измерений выполняют компьютерные системы, входящие в состав тракта формирования программ (ПС 3). В настоящее время практически в каждой телерадиокомпании в состав тракта формирования и выдачи программ вошли компьютерные средства выдачи и приема аудиовидеосигналов (станции нелинейного видеомонтажа (СНМ), звуковые станции (ЗС), серверы), работающие с их файловым представлением. В работе детально показано, что компьютерные средства выдачи и приема аудиовидеосигналов, входящие в состав комплексов формирования теле- и радиопрограмм, могут использоваться для измерений параметров трактов с помощью специально разработанных для этого программных средств.

Поскольку при этом С₃ = 0, данное решение («вариант Х₅») можно считать глобальным оптимумом. Модель СККТ в этом случае примет вид, показанный на рис. 4.

Рис. 4. Модель СККТ в варианте Х₅ .

Здесь место ПС 2 занимает испытуемый тракт 2, осуществляющий по определению ГОСТ 19.701 «предопределенный процесс, состоящий из одной или нескольких операций или шагов программы, которые определены в другом месте (в подпрограмме, в модуле)». Определение процесса производится оператором 1, инсталлирующим в выбранную компьютерную станцию (станции) конкретную измерительную программу и организующим прохождение сигналов в тракте по нужной траектории. На выходе оператор получает не поток данных В, обработанных в разных комплексах в разной степени, а измеренные значения Y? полного набора видео- и/или аудиопараметров Y тракта для передачи в пункт принятия решений 3.

Вместе с тем, для широкого использования данной возможности требуется в качестве дополнительного условия выбор формата тестовых файлов универсального применения. А именно, тестовый файл, передаваемый на объект испытаний, должен обладать способностью либо воспроизводиться на выходе станции в той или иной форме видео- или аудиосигнала, либо быть преобразованным в рабочий формат станции, который позволяет осуществить такое воспроизведение.

Данное решение является глобальным оптимумом также и для С₄ , так как дополнительных к тракту объектов поддержания работоспособности не возникает.

Поскольку ни один из найденных оптимумов для С_i не включает элементов противоречия другим, можно заключить, что их совокупность является и минимумом целевой функции С = в целом. Глобальным оптимумом является решение Х₅, а решение Х₄ ? локальным оптимумом, применяемым для тех трактов, которые не имеют в своем составе соответствующих компьютерных средств.

Базируясь на работе с файловым представлением видео- и аудиосигналов, данная методика естественным образом сочетается с сетевыми методами передачи информации. Это позволило выйти на дистанционную диагностику трактов, при которой этот контроль осуществляется удаленным испытательным центром, имеющим необходимые для этого полномочия, средства и квалификацию. В работе обоснована целесообразность включения пункта дистанционной диагностики в общие требования оптимизации.

В итоге, системная оптимизация алгоритма контроля качества телерадиопродукции должна отвечать следующим общим требованиям:

1. Программный метод генерации и анализа тестовых файлов.

2. Расчетно допустимая минимизация объема тестовых данных.

3. Использование тестовых форматов универсального применения.

4. Пригодность алгоритмов технологии к осуществлению дистанцион ной диагностики параметров удаленных объектов.

Алгоритм построения и работы СККТ, отвечающий данным требованиям, назовем методом универсальных тестовых файлов (УТФ). Метод допускает этапность в реализации его принципов, как в технологии измерений, так и в технологии дистанционной диагностики.

Для реализации метода УТФ определяется оптимальная структура тестовых данных для методики измерений параметров видео- и звуковых трактов. Вначале определяются локальным поиском параметры дискретизации и форматы файлов. Для звуковых измерений оптимальны частота дискретизации 48 кГц, разрядность 16 бит/отсчет и формат некомпрессированного стерео- или монофонического звука «Wave». Для измерений видеотрактов сформулированы требования к разработке универсального решения задачи применения метода УТФ к анализу видеотрактов с произвольным видеокодеком. Методом поиска с возвратом обоснован выбор для работы на современном этапе формата тестового файла BMP ("Windows Bitmap") с глубиной цвета 24 бит/пиксел. Вид дерева решений для данного поиска показан на рис.5.

Далее проведена оптимизация объема тестовых данных, определяемая влиянием аддитивной флуктуационной помехи, снижающим точность измерений при сокращении объема данных. Процесс включает 3 этапа.

Рис. 5. Дерево решений для выбора формата тестовых видеофайлов (формат ВМР - решение Х₇).

Вначале проводится декомпозиция тестовых данных на фрагменты для измерения отдельных параметров и рассчитывается значение у_0i дисперсии шумового процесса с нормальным распределением, соответствующее допустимой погрешности измерений i-го параметра с заданной доверительной вероятностью б. Пусть d_i - допуск НД на i-й измеряемый параметр. Значение допустимой погрешности, исходя из рекомендаций НД по метрологии, можно принять равным д_i = 0,3 d_i Тогда значение у_0i определится выражением:

у_0i = (z_б/2)^-1·д_i = 0,3 d_i·(z_б/2)^-1,

где z_б/2 - квантиль нормированного распределения Лапласа для вероятности б/2.

Например, для б = 0,99 :

у_0i = 0,3 d_i·(2,58)^-1 = 0,116 d_i.

Значения б для различных параметров рассчитаны индивидуально, исходя из требований доверительной вероятности результата измерений всей совокупности аудио- или видеопараметров испытуемой цепи как статистически независимых величин не ниже 0,95.

Следующим шагом является расчет объема данных тестовых фрагментов (определяющего при заданной дискретизации их длительность t_i), который статистически обеспечивает снижение максимально допустимого НД уровня шума, т.е. среднеквадратичного значения у, до величины у' ? у_0i. Практически все измерения сводятся к определению:

? амплитуд гармонических составляющих;

? средних уровней сигналов с постоянной амплитудой;

? уровня шума.

Методика расчета t_i для гармонических составляющих.

При измерениях амплитуд гармонических колебаний известной частоты производится частотная фильтрация (удаление) всех спектральных компонент, лежащих вне полосы частот основного спектрального максимума измеряемого радиоимпульса. При длительности радиоимпульса t_i ширина этого максимума равна f₀ = 2/t_i

Мощность флуктуационной помехи определяется выражением:

Р_ш = ,

где f_гр - полоса частот тракта,

A(f) - спектральная плотность мощности шума.

Полагая спектр шумов в первом приближении равномерным (А(f) = const), получаем Р_ш ~ f_гр, и среднеквадратичное отклонение напряжения шума у ~ . Соответственно, снижение амплитуды шума u` после фильтрации составляет:

u`/ u = у`/ у = (f₀ / f_гр )^1/2 = [2/(f_гр t_i)]^1/2 ,

Таким образом, условие у' ? у_0i приобретает вид:

у' = у•[2/(f_гр t_i)]^1/2 ? у_0i;

t_i ? 2 у² / у_0i² f_гр.

Методика расчета t_i для постоянных уровней .

Измерение постоянных уровней сигнала проводится усреднением по n пикселам фрагмента. Параметр у характеризует среднеквадратичное отклонение единичного измерения. Как известно, между ним и среднеквадратичным отклонением у_n средней величины U_сред, полученной в результате n измерений, имеется соотношение:

у_n = у /.

Условие у' ? у_0i приобретает вид:

у_n ? у' = у / ? у_0i; n ? (у / у_0i)²;

Поскольку t_i = n•(f_д)^-1, то:

t_i ? (у / у_0i)²•(f_д)^-1.

Методика расчета t_i для отношения сигнал/шум.

Измерение отношения сигнал/шум на массиве объемом n пикселов является проведенной оценкой среднеквадратичного отклонения у_n случайного процесса, и само значение у_n также является случайной величиной. Оценка среднеквадратичного отклонения уґ оценки среднеквадратичного отклонения у_n , как известно из математической статистики, выражается величиной:

.

Нормирование отношения сигнал/шум в НД проводится в целочисленных значениях децибел, поэтому значение допуска d_i можно принять равным 0,12 у_n. Тогда:

у_0i = 0,3•d_i•(z_б/2)^-1 = 0,036•(z_б/2)^-1•уn.

Условие у' ? у_0i приобретает вид:

? 0,036 (z_б/2)^-1•уn;

n ? 0,5•0,036^-2·z_б/2² + 1 ? 386 (z_б/2)².

В частности, для б = 0,99, условие примет вид: n ? 2570.

Поскольку t_i = n•(f_д)^-1, то:

t_i ? 386 z_б/2²•(f_д)^-1 .

Найденные значения t_i определяют границы области работоспособности системы. Заключительным шагом оптимизации структуры тестовых данных является выбор значений допусков d_i и уровня шума у. Это приводит к задаче в области нечеткой логики, так как желательная универсальность метода УТФ должна обеспечить проверку соответствия тракта требованиям различных НД, которые дают разные значения и допусков на параметры, и допустимого уровня шума. Так, таблица допусков только для 5 из применяемых НД дает матрицу из 64 значащих членов для звука и 84 для видеопараметров. Задача решалась экспертной оценкой степени принадлежности высокому уровню эффективности вариантов структуры тестовых данных как элементов нечеткого множества. В результате оптимальной определена длительность звукового тест-сигнала порядка 1с и видеосигнала в пределах одного ТВ кадра изображения.

Обоснованы и разработаны предложения по коррекции методов измерений видеопараметров телевизионного тракта. Ряд параметров предложено измерять по методам из Рекомендаций МЭК 1237-3 и МСЭ-Р ВТ.1204. Разработана методика измерений параметров «дифференциальное усиление» и «дифференциальная фаза» для компонентных аналоговых и цифровых трактов, включая возможные переходы в формат PAL, что еще часто встречается в структуре трактов. Формируется файл следующей структуры: сигнал Y - ступенчатый, сигнал C_B = 0, сигнал C_R = const ? 0. Найдем зависимость модуля амплитуды поднесущей PAL и ее фазы от измеренных в конечном файле, для каждой ступени Y значений C_R и C_B. Как известно, сигнал цветности PAL определяется выражением:

U_цв = А cos(щt+ц) = E_V cos щt + E_U sinщt,

E_V = 0,877 (R-Y); E_U = 0,493 (B-Y).

При этом : C_R = 0,713 (R-Y); C_B = 0,564 (B-Y).

Отсюда: E_V = 1,23 C_R; E_U = 0,874 C_B.

Таким образом,

|A| = (E_V² + E_U²)^1/2 = (1,513 C_R² + 0,764 C_B²)^1/2,

В конечном файле вычисляются значения А_i для области каждой ступени Y и значение ДУ определяется выбором наибольшей по модулю из величин:

ДУ = (А_i/A₁-1) 100%.

где А₁ - амплитуда поднесущей на ступени, наиболее близкой к уровню гашения.

Несложно показать, что значение ДФ определится наибольшей по модулю из величин:

ДФ = ц_i - ц₁,

где ц_i - фаза сигнала на каждой ступени, вычисленная по формуле:

ц_i = - arctg E_Ui/E_Vi = - arctg 0,71 C_Bi/C_Ri .

Результаты здесь определяются только влиянием яркости Y на С_R и C_B . Предложения данного раздела обеспечивают адекватные измерения РУ, РВ, ДУ, ДФ и отношения сигнал/шум в современных трактах. Их реализация в рамках метода УТФ отражена в главе 3.

Проведено имитационное статистическое моделирование видеотракта с применением размывающей насадки (РН, “dither”) для повышения точности измерений в методе УТФ. Показано, что формирование РН в файле ограниченной разрядности, например 8 бит/отсчет не снижает ошибку измерений. Измерялись результаты снижения разрядности с 16 до 8 бит/отсчет файла с испытательным ступенчатым сигналом (высота ступеней 2q/3 и q/3, где q - перепад соседних уровней в 8-битном сигнале), суммированным с РН, сформированной с исходной разрядностью 16 и 8 бит. Результат показывает более, чем 10-кратное снижение ошибки квантования в первом случае (верификация модели) и полное отсутствие ее снижения во втором.

Причина данного эффекта заключается в вырожденном характере структуры РН, сформированной в тест-файле с низкой исходной разрядностью. В итоге, в отличие от обычных схем формирования и наложения РН в аналоговом пространстве, где множество ее значений образует непрерывный ряд, здесь оно является вырожденным до множества целочисленных величин. Средний уровень сигнала при оцифровке 8 бит равен

где m - число усредняемых пикселов,

int(a_i) - целочисленное в единицах q значение амплитуды в i-м пикселе. Величина () составляет ошибку измерений относительно исходного сигнала.

Суммирование с 8-битной РН изменяет значение a_i на величину n_i, где n - целое в единицах q число. Тогда

 = ,

где ? статистическая характеристика только самой РН. Форма зависимости от измеряемого сигнала при этом не меняется.

При выходе сигнала в аналоговый тракт это вырождение будет сниматься под действием ряда факторов, но количественная оценка их действия в произвольном тракте не представляется возможной без накопления большого объема статистики в различных трактах. Поэтому применение РН в методе УТФ для снижения ошибки квантования представляется нецелесообразным. При этом в аналоговом тракте роль РН играют присутствующие в нем шумы и помехи, влияние которых было оценено с помощью той же имитационной модели (рис.6).

Рис. 6. Зависимость амплитуды ошибки квантования от уровня шума.

Как показывает практика, отношение сигнал/шум в аналоговых видеотрактах в основном не превышает 50 дБ. Таким образом, влияние ошибки квантования на результаты измерений НИ и других параметров, определяемых значениями постоянных уровней сигнала, эффективно устраняется аддитивной флуктуационной помехой, присутствующей в измеряемом тракте.

В методе УТФ РН может найти применение в измерении шума согласно Рек. МСЭ-Р ВТ.1204, что также подтверждено проведенным моделированием. Это может требовать более простого алгоритма вычислений измерительной программы по сравнению с пилообразным тест-сигналом.

В итоге во 2-й главе проведена разработка проблемно-ориентированной системы принятия решений и оптимизации технической системы контроля параметров комплексов формирования теле- и радиопрограмм. Проведено исследование и разработаны критерии оптимизации методов извлечения информации из радиосигналов при наличии помех.

В третьей главе представлена разработка оптимизированных в соответствии с изложенными выше общими требованиями метода УТФ способов обработки и диагностики аудиовизуальной информации в производстве и распространении телерадиопрограмм.

Разработана методика и алгоритмический комплекс измерений параметров звуковых трактов ЭксАТ (Экспресс-Аудио-Тест). Программа ExAT Software 2.0 разработана по ТЗ автора компанией «Видисофт» (Москва). Основные функции программы ЭксАТ:

- генерация и анализ тест-сигнала длительностью 1,6 с;

- работа со звуковой картой в режимах «запись, «воспроизведение» и «петля»;

- калибровка уровня сигнала в тракте; вызов микшера Windows для регулировки уровней;

- автоматическая запись в режиме ожидания тест-сигнала, игнорирующем сигнал текущего вещания;

- индикация нештатных ситуаций (перестановка каналов, моно-запись, обрыв одного канала);

- загрузка ранее записанного файла для анализа;

- автоматическое измерение параметров;

- составление и сохранение отчета с индикацией выхода параметра из трафарета допусков;

- установка и сохранение любого набора трафаретов допусков; импорт и экспорт трафаретов;

- справочный раздел;

- программа имеет клиентскую версию (ExAT Client Software 2.0), в которой результаты измерений (отчет) образуют зашифрованный файл объемом 1 кБ, раскрываемый только полной версией программы.

Основное окно программы показано на рис. 7. Системная точность измерений, получаемая анализом эталонного файла, показана на рис. 7 в окне «Лог» (оперативный отчет о результатах измерений).

Рис. 7. Основное окно программы ЭксАТ

Влияние шумов тракта на точность измерений, проверялось экспериментально суммированием тест-сигнала с белым шумом различной интенсивности и подтвердило расчеты раздела 2.3.

Разработан метод оценки качества и идентичности цветопередачи телевизионных камер. Объективная оценка качества цветопередачи камеры проводится методом тестовых цветов, при котором эталонными считаются цветовые координаты тестовых цветов испытательной таблицы при их освещении источником света D65. При этом наиболее точным способом измерений является рекомендованный EBU метод оценки качества цветопередачи по сигналам трех каналов камеры.

На основании этого метода разработана программа для автоматизированной оценки качества и идентичности цветопередачи телекамер - «Цвет 1», с помощью которой можно также оценивать правильность отработки камерой баланса белого и черного. Равномерно освещенная телевизионная испытательная таблица ЦТИТ-03-07, устанавливается перед камерой, в которой предварительно проведен баланс белого и черного. Сигналы непосредственно от камеры или сигналы от видеомагнитофона, на который записано изображение таблицы, передаются на станцию нелинейного монтажа, где преобразуются в файл формата «bmp», который загружается в программу «Цвет-1», где предусмотрено усреднение массива данных для обеспечения высокой точности и нечувствительность к значительным неточностям размещения испытательной таблицы в растре телекамеры. Программа измеряет и отображает в своем окне значения R, G, B тестовых цветов (рис.8), рассчитывает цветовые искажения и оценивает качество цветопередачи камеры. Проводя операции для нескольких камер, по полученным результатам можно судить и об идентичности их цветопередачи.

Рис. 8. Окно программы «Цвет-1»

Разработан метод измерения параметров кодеров СЕКАМ. Сигнал специально разработанного компонентного тестового файла, соответствующий одному кадру изображения, подается на вход кодера и сигнал с его выхода записывается на вход Y станции нелинейного монтажа.

Записанный файл анализируется аппаратным способом либо описанным ниже методом трансформации в звуковые файлы. При определении АЧХ нелинейного режектора учитывается влияние нелинейного взаимодействия частотной компоненты испытательного сигнала и поднесущей СЕКАМ при записи на СНМ, результат которого выражается уравнением:

А₁ =

где А₁ и а₁ ? выходное и входное значение частотной компоненты, а₂ - входное значение поднесущей, х₀ - смещение среднего уровня входного сигнала от номинального.

Для амплитудной характеристики идеального ограничителя используем ее интегральное представление:

f(x) =

Тогда:

А₁ =

и после ряда преобразований:

A₁ =

Для данного соотношения составлены с помощью ЭВМ таблицы для нахождения АЧХ нелинейного режектора кодера по результатам записи конечного файла на СНМ. Разработано ТЗ на разработку программного анализа записанного файла.

Разработан метод определения основных параметров видеотрактов. Формирование тестового файла и последующие измерения на первом этапе велись на аппаратном уровне. Записью на компьютерную станцию сигналов телевизионного измерительного генератора (DTG-35) с последующим монтажом был сформирован тестовый файл «TEST 1» (рис. 9 а).

а) б)

Рис. 9. Тестовые файлы «TEST 1» (а) и «Видеотест ВМР-192» (б,увеличение).

Измерения параметров файлов, поступавших с объектов испытаний, проводятся с помощью СНМ и телевизионных осциллографов, при этом используется комплект фильтров с параметрами, отвечающими требованиям Рекомендации МСЭ-Р ВТ.1439 (Annex 2, pp. 1-4). В наиболее сложном для осциллографического измерения случае определения отношения сигнал/шум, использовалась методика трансформации в звуковые файлы, изложенная далее в этой главе. Примеры протоколов испытаний даны в Приложении.

С учетом перспектив развития метода, в частности, размещения в файле тестов внутрикадровой и межкадровой (для теста в виде комплекта кадров) компрессии, желательно за счет рационального размещения тест-сигналов обеспечить значительное свободное пространство в растре тестового кадра. Это обеспечено в файле «Видеотест BMP-192», программно созданном для измерений компонентных цифровых и аналоговых трактов, включая возможные переходы сигнала в формат PAL (рис. 9 б).

При его разработке учтены расчеты требуемой точности. Для измерений размаха сигналов, НИ и РУ применены сигналы постоянного по всей длине строки уровня, для измерения АЧХ - отдельные синусоиды также на всей строке, что повышает удельную эффективность их измерения по сравнению с традиционным тест-сигналом («multiburst»). РВ может быть измерено по временным или фазовым соотношениям сигналов яркости и цвета. Отношение сигнал/шум измеряется на наклонных участках с амплитудой перепада 20% для Y согласно Rec. ITU-R BT.1204 и 10% для C_R и C_B с учетом вдвое меньшей полосы частот. Синусквадратичные импульсы в каналах яркости и цвета с длительностью по ГОСТ 52592-2006 размещены с асинхронным сдвигом относительно моментов дискретизации для усреднения влияния на их форму величины этого сдвига. Амплитуда импульсов в канале яркости уменьшена до 80% с целью избежать ограничения отрицательных выбросов сигнала. Размещены также сигналы I-IV по ГОСТ 18471-83 в форме Y. Общий объем тест-сигналов занимает 1/3 ТВ кадра, т.е. 192 строки. Измерения АЧХ, НИ, К-2Т и отношения сигнал/шум проводятся в каналах яркости и цвета.

Исследовано влияние цифровой компрессии видеосигналов на точность измерения видеопараметров методом УТФ. Имитационным статистическим моделированием показано, что при оптимальной дислокации в тестовом файле строк для измерения отношения сигнал/шум внутрикадровая видеокомпрессия в трактах формирования программ не влияет на точность измерений методом УТФ, а межкадровая в трактах передачи не препятствует измерениям видеопараметров с приемлемой в практике точностью. На рис. 10 и рис. 11 показаны искажения формы импульсов sin²T в наиболее критических случаях и их форма в Р- и В-кадрах после усреднения в тесте.



Рис. 10. Форма импульсов sin²T в В-кадрах.

Рис. 11. Усредненная форма 80 импульсов в Р- и В-кадрах.

При этом в однокадровых вставках тестов в динамические изображения, кодируемые с межкадровым сжатием, помехи в виде эхо-сигналов могут распространяться также на блоки ДКП, соседние с блоками, включающими сигналы переменной амплитуды (рис. 12), что требует особых условий размещения в тестовом кадре строк для измерения отношения сигнал/шум в виде соседних буферных зон с отсутствием значительных перепадов в сигнале. Например, в тесте «Видеотест ВМР-192» эту роль могут играть строки постоянных уровней для измерения РУ и НИ.

Рис. 12. Область помех в однокадровой вставке тест-кадра «Полосы» в динамический видеосюжет при сжатии MPEG-2 (увеличение).

Проведены разработка и оптимизация метода дистанционной диагностики трактов формирования и передачи телерадиопрограмм. При переходе к дистанционной диагностике целью является устранение потребности в приборном комплекте или выезде на объект испытаний специалиста с набором испытательных устройств.

Поставленная цель достигается на базе метода УТФ передачей на объект тестовых файлов, которые вводятся в одно из компьютерных устройств, работающих в тракте путем обмена аудио-видеосигналами с соседними устройствами (звуковая станция или СНМ). Далее эти файлы проводятся вещателем по тракту по штатной технологии подготовки и выдачи программ. Порядок действий вещателя при этом определяется «Рабочей программой проведения записи материалов», которая составляется испытательным центром на базе структурных схем и перечней оборудования объекта. Конечный файл пересылается в испытательный центр для анализа.

Дистанционная диагностика была эффективно применена для сертификационных испытаний технической базы 26 телерадиокомпаний. Для испытаний звуковых трактов использовалась методика и программа ЭксАТ, теле- и видеокамер - программа «Цвет-1», компонентных и смешанных (с выходом в PAL) видеотрактов - файл «TEST 1», кодеров СЕКАМ - «Test SECAM». Примеры Рабочих программ записи материалов и Протоколов испытаний технической базы телерадиокомпаний приведены в Приложении. Были опробованы различные алгоритмы диагностики. В ходе испытаний подтверждены достоинства метода: резкое снижение затрат, оперативная обратная связь с объектом испытаний и отсутствие потребности испытательного центра в аппаратуре видеозаписи разных форматов.

Оперативность получения результатов испытаний методом дистанционной диагностики может быть существенно повышена путем организации постоянно работающего сетевого сервера для автоматизированной дистанционной диагностики. Абонент данного сервиса имеет в своем распоряжении клиентскую программу, например, ExAT Client и, проведя запись тест-сигнала, может послать зашифрованный результат на сервер и получить протокол с результатами измерений. В настоящее время разработана и проходит испытания б-версия для программы ЭксАТ.

Разработана методология использования инструментов стандартных звуковых программ, позволяющая проводить измерения полного набора видеопараметров без использования аппаратных средств. Для этой цели фрагменты измеряемого файла, соответствующие строке изображения, преобразуются специально разработанной программой “Bmp2Wave” в звуковой файл, параметры которого измеряются с помощью широкого набора инструментов звуковой программы. На рис. 13 а,б показаны этапы измерений неравномерности АЧХ и НИ.

Рис.13 а,б. Измерения видеопараметров звуковой программой. Искомые значения отображаются индикатором уровня (справа).

Выявлена возможность определения локализации В-кадров динамических телевизионных изображений с цифровой компрессией без доступа к оригиналу изображения путем анализа периодичности их статистических параметров. Это достигается сравнением энтропии в последовательности восстановленных после компрессии кадров видеосюжета посредством вычисления коэффициента сжатия объема кадровой информации при архивации либо относительной интенсивности высокочастотных компонент видеосигнала (рис. 14).

Таким образом, в главе 3 представлена разработка специального математического и программного обеспечения систем обработки и анализа информации и принятия решений на основе проведенной разработки алгоритмов извлечения информации из радиосигналов при наличии помех. Для ряда задач использована также визуализация, трансформация и анализ информации на основе компьютерных методов ее обработки.

Рис. 14. Гистограмма интенсивности ВЧ компонент восстановленных кадров. Минимумы соответствуют В-кадрам при сжатии.

В четвертой главе излагаются результаты исследования и разработки узлов новых телевизионных устройств с целью повышения качества передачи информации , а также разработка радиотехнического устройства для использования в отрасли вещания.

В первом разделе главы приведены работы, проведенные автором в ходе создания и внедрения в серийное производство студийного видеомагнитофона 2-го поколения. Приведены расчеты эффективности магнитной видеоголовки (ВГ) в зависимости от частотных свойств материала сердечника и ширины рабочего зазора. Показано, что эффективность ВГ растет с увеличением не только вещественной составляющей проницаемости магнитного материала сердечника, но и модуля проницаемости и тангенса угла потерь, что позволило определить оптимальные параметры материала ВГ. Разработана и реализована методика измерения эффективной ширины субмикронных рабочих зазоров видеоголовок с точностью ±15 нм, что находилось далеко за пределами разрешения оптических средств измерений и требовало анализа сигналов ниже уровня шумов (рис. 15).

Чувствительность методики основана на накоплении данных на фоне шумов спектральным анализом э.д.с. воспроизведения измеряемой ВГ записанного тест-сигнала сканируемой частоты.

а) б) с)

Рис. 15. а) спектрограмма сигнала воспроизведения типичной ВГ; б) при хорошей форме зазора различим 4-й щелевой максимум; в) точность метода - интервал частотных меток соответствует разности ширины зазора 30 нм.