سیستم های تلویزیون

[مجید بهره مند 43111]

سیستم های تلویزیون

 

پردازش

در پردازش تصاوير رقمي معمولا“از شيوه هاي كه به شكل الگوريتم بيان مي شود استفاده مي گرددبنابراين غير از تصويربرداري و نمايش تصوير مي توان اغلب عمليات پردازش تصوير را با نرم افزار اجرا كرد تنها علت استفاده از سخت افزار ويژه پردازش تصوير نياز به سرعت بالا دربعضي كاربردها و يا غلبه بر بعضي محدوديت هاي اساسي رايانه است.مثلا“يك كاربرد مهم از تصويربرداري رقمي ؛ريزبيني درنوركم است براي كاهش نويز تصوير بايد چند متوسط گيري روي تصاوير متوالي با نرخ قالب(غالبا“30قاب در ثانيه)انجام شود.شاختار بزرگراه در غالب رايانه ها جز چند رايانه بسيار كارآمد نمي تواند به سرعت داده مورد نيازبراي اجراي اين عمل دست يابد بنابراين سامانه هاي پردازش تصوير امروزي تركيبي از رايانه هاي متداول و سخت افزارهاي ويژه پردازش تصوير است كه كارهمه آنها به وسيله نرم افزار در حال اجرا روي رايانه اصلي هدايت مي شود.

 

مدلهاي متعدد سامانه هاي پردازش تصوير كه در حدود نيمه دهه 80 در سراسر دنيا به فروش رسيد وسايل جانبي نسبتا“بزرگي بود كه به رايانه هاي ميزبان با همان بزرگي متصل مي شد.درانتهاي دهه 80 و ابتداي دهه 90 سخت افزارهاي تجاري پردازش تصوير به شكل بردهاي تكي كه براي سازگاري با بزرگراه هاي استاندارد صنعتي و انطباق با كارگاه هاي كوچك مهندسي و رايانه هاي شخصي طراحي شده بود تغيير يافت .اين تغيير علاوه بركاهش هزينه ها يكي از عوامل تاسيس شركت هاي زيادي با تخصص توليد نرم افزار پردازش تصوير بود.

 

گرچه هنوز هم سامانه هاي پردازش تصوير بزرگ براي كاربردهاي نظير پردازش تصاوير ماهواره اي به فروش مي رسندحركت به سوي كوچك سازي وايجاد رايانه هاي كوچك همه منظوره كه به سخت افزار پردازش تصوير مجهز است همچنان ادامه دارد.سخت افزار لصلي تصويربرداري كه به اين رايانه ها افزوده مي شود تركيبي از يك ((رقمي ساز و بافرقاب ))براي رقمي سازي و ذخيره موقت تصوير يك ((واحد محاسبه و منطق))(ALU) براي اجراي عمليات حسابي ومنطقي درنرخ قاب و يك يا چند((بافرقاب)) براي دستيابي سريع به داده هاي تصوير در طول پردازش است.امروزه مي توان نرم افزارهاي پردازش تصويرفراهم مي شود وسايل نمايش و نرم افزارهاي كارآمد پردازش كلمه و توليد گزارش ارائه نتايج را تسهيل مي كند اغلب نتايج به دست آمده با چنين سامانه هايي به بردهاي پردازش تصوير سريع و خاصي كه بابزرگراه مورد استفاده سازگارند انتقال مي يابد.

 

يكي از مشخصه هاي علم پردازش تصويرعدم استفاده از يك راه حل براي كاربردهاي متفاوت است بنابراين فنوني كه دريك مورد خوب كار مي كنند ممكن است در ديگري كاملا“ضعيف باشند تنها فايده وجود سخت افزار قوي ونرم افزارپايه درحال حاضر اين است كه نقطه شروع كار نسبت به يك دهه پيش بسيار پيشرفته تر (وبازار صرفا“كسري از هزينه آن موقع)مي باشد.به طوركلي هنوز هم پيدا كردن راه حل واقعي براي يك مساله خاص نيازمند تحقيق و توسعه فراوان است مباحثي كه درفصول بعدي مطرح مي شود فقط براي اين نوع فعاليت ها ابزارهايي را ارائه مي كند.

 

مخابرات

استفاده ازمخابرات در پردازش تصوير رقمي معمولا“درمورد ارسال داده هاي تصويري است و اغلب شامل مخابره محلي بين رسانه هاي پردازش تصوير ومخابره را دور از يك نقطه به نقطه ديگر مي باشدبراي اغلب رايانه ها سخت افزار ونرم افزار مخابره محلي به آساني در دسترس است بيشتر كتب راجع به شبكه هاي رايانه اي به روشني توافق هاي مخابره استاندارد را توضيح مي دهند.

 

اگرداده هاي تصويري فشرده نشده در فواصل طولاني مخابره شوند مشكل جدي تري ايجاد مي شود تاكنون بايد اين موضوع روشن شده باشد كه تصاوير رقمي حاوي مقادير بزرگي از داده ها هستند اما يك خط تلفن صوتي حداكثر مي تواند 9600 بيت بر ثانيه را انتقال دهد؛بنابراين ارسال يك تصوير 8 بيتي 512×512 با اين نرخ بيت تقريبا“پنج دقيقه طول مي كشد.ارتباط بيسيم با استفاده از ايستگاه هاي مياني نظير ماهواره ها بسيار سريعتر است گرچه هزينه بيشتري دارد نكته اين است كه دربسياري مواقع ارسال تصاوير كامل درفواصل طولاني مورد نياز است درفصل 6نشان خواهيم داد كه فشرده سازي وافشرده سازي و (انبساط)داده ها نقش اصلي را در حل اين مشكل بر عهده دارد.

 

نمايش

نمايشگرهاي تك رنگ و رنگي تلويزيوني ابزار اصلي نمايش درسيستم هاي پردازش تصوير امروزي است نمايشگرها با خروجي هاي واحد سخت افزاري نمايش تصوير كه در برد اصلي رايانه ميزبان قرارداد ويابخشي از سخت افزارپردازشگر تصويري مي باشد راه اندازي مي شود همچنين مي توان سيگنالهاي خروجي ازواحد نمايش رابه يك وسيله ثبت تصوير داد تاتصويري چاپي (اسلايد؛عكس ياورق شفاف)ازآنچه روي نمايشگر ديده مي شود توليد كند لامپ هاي اشعه كاتدي (CRT) بادستيابي تصادفي و دستگاه هاي چاپ نيز به عنوان وسايل نمايش استفاده مي شود.

 

درنمايشگر هاي CRTرايانه با توليد سيگنال هاي راه انداز مورد نياز محل اشعه الكتروني را در هر لحظه معين مي كند تاتصوير ايجاد شود.درهرنقطه يك ولتاژكه متناسب با مقدار روشنايي نقطه متناظر درآرايه عددي است شدت پرتو رامدوله مي كند مقدار شدت پرتو حاصل بين صفر براي نقاط سياه تا مقدار بيشينه براي نقاط سفيد متغير است يك دوربين عكاسي كه روي صفحه CRTمتمركز است الگوي نوري باشدت متغير حاصل را ظبط مي كند.

 

وسايل چاپ تصوير اغلب براي پردازش تصوير با تفكيك پايين مفيد است يك روش ساده براي توليد تصاوير خاكستري روي كاغذ استفاده از قابليت چند ضربه اي چاپگر خطي استاندارد است.

 

مي توان با تعداد و چگالي نويسه هاي روي هم چاپ شده درهرنقطه تصوير سطح خاكستري آن نقطه را تنظيم نمود.باانتخاب مناسب مجموعه نويسه ها مي توان با يك برنامه رايانه اي ساده و نويسه هاي نسبتا“كم به توزيع هاي خوب سطح خاكستري دست يافت.ضميمه الف حاوي مثالهايي از اين روش است چند وسيله متداول ديگر براي ثبت تصوير روي كاغذ چاپگرهاي ليزري وسايل داراي كاغذ حساس به حرارت و دستگاه هاي جوهر افشان است.

 

فشرده سازي تصوير

وقتي براي توليد يك تصوير رقمي ؛تابع شدت نور دوبعدي متناظر نمونه برداري و چندي مي شودمقادير بي شماري ((داده))توليد مي گردد.درواقع مقدار داده هاي توليد شده ممكن است آنقدر بزرگ باشد كه ذخيره سازي ؛پردازش ومخابره آن غير عملي باشد.درچنين حالاتي به نمايش هايي غير از نمونه برداري دوبعدي و چندي سازي ساده نياز است به عنوان مثال براي نمايش دايره المعارف Encyclopaedie Britannice درشكل رقمي بيش از 25 گيگابايت (10×25بايت) داده مورد نياز است.

 

فشرده سازي تصوير به موضوع كاهش مقدار داده هاي مورد نياز براي نمايش تصوير رقمي مي پردازد.اساس فرآيندكاهش حذف داده هاي زايد است از نقطه نظر رياضي اين فرآيند معادل تبديل يك آرايه پيكسلي دوبعدي به يك مجموعه داده ناهمبسته آماري است كه معمولا“اين تبديل قبل از ذخيره سازي يا ارسال تصوير انجام مي شود.تصوير فشرده در زماني ديگر يا در مقصد وافشرده مي شود تا تصوير اوليه با تقريبي ازآن بازسازي شود.

 

توجه به فشرده سازي تصوير بيش از25سال سابقه دارد در ابتدا تحقيقات در اين موضوع روي توسعه روش هاي آنالوگ براي كاهش عرض باند ارسال ويديو كه فشرده سازي عرض باند خوانده مي شود متمركز بود گرچه اختراع رايانه هاي رقمي و بدنبال آن توسعه مدارهاي مجتمع پيشرفته باعث شد كه توجه از روش هاي فشرده سازي آنالوگ به روش هاي رقمي معطوف شود اخيرا“با پذيرش جهاني چند استاندارد فشرده سازي تصوير زمينه رشد اين موضوع از طريق كاربرد عملي كارهاي نظري شروع شده از دهه 1940فراهم گرديد شانون و همكارانش در اين دهه براي اولين بار روابط احتمالاتي را براي ميزان اطلاعات و نمايش ارسال و فشرده سازي داده ها بيان كردند.

 

نياز به فشرده سازي تصوير درطول سال هاي اخير بتدريج رشد كرده است به طوري كه اكنون اين مبحث به عنوان يك ((فناوري فعال ساز)) شناخته مي شود.به عنوان مثال همواره فشرده سازي تصوير در افزايش محاسبات چند رسانه اي (يعني استفاده از رايانه هاي رقمي در چاپ و نشر و توليد و توزيع ويديو)بسيار موثر بوده وهست.بعلاوه ؛فشرده سازي تصوير ؛فناوري

كار باتفكيك مكاني افزايش يافته در حسگرهاي تصوير بردار امروزي واستاندارد هاي درحال تكامل پخش تلويزيون است گذشته از اين فشرده سازي تصوير نقش خيلي مهمي در بسياري از كاربردهاي مهم و گوناگون شامل گردهمايي تصويري از راه دور ؛سنجش از راه دور(استفاده از تصويربرداري ماهواره اي در كاربردهاي هوايي وسايركاربردهاي زميني ) تصويربرداري اسناد تصوير برداري پزشكي ؛ارسال دورنگار و كنترل وسايل هدايت از راه دور دركاربردهاي نظامي ؛فضايي ومواد زائد خطرناك بازي مي كند خلاصه اين كه تعداد روبه افزايشي ازكاربردها به پردازش ذخيره سازي و ارسال پر بازده تصاوير دودويي خاكستري يا رنگي نياز دارند.

 

مباني

عبارت فشرده سازي داده به فرآيند كاهش مقدار داده هاي مورد نياز براي بيان يك مقدار معين از اطلاعات اشاره مي كند تفاوت آشكار بين داده و اطلاعات هستند وازمقادير متفاوتي داده مي توان براي نمايش يك مقدار ثابت اطلاعات استفاده كرد يك مثال آن حالتي است كه فرد ((پرحرف))ويك فرد ((كم حرف))هردو بخواهند يك داستان را تعريف كنند دراين مورد اطلاعات مورد علاقه داستان است و كلمات داده هاي مورد استفاده براي بيان اطلاعات هستند.اگر اين دونفر تعداد متفاوتي از كلمات را براي تعريف داستان به كاربرند دونسخه متفاوت از داستان ايجاد مي شود و حداقل يكي از دونقل داراي داده هاي غيرضروري است يعني داراي داده ها (باكلماتي)است كه ياهيچ اطلاعات مرتبطي را ارائه نمي كنند يا فقط چيزهايي را كه قبلا“معلوم بوده اند دوباره بيان مي كنند.بنابراين گفته مي شودكه اين نقل ؛افزونگي داده دارد.افزونگي داده مهمترين مورد در فشرده سازي تصوير رقمي است.

 

مدلهاي فشرده سازي تصوير

سامانه هاي عملي فشرده سازي تصوير معمولا“ازتركيب اين روش ها بوجود مي آيند.دراين بخش مشخصات كلي چنين سامانه اي رابررسي مي كنيم و يك الگوي كلي براي نمايش آن ارائه مي نماييم.

 

همانطوركه شكل يك نشان مي دهد يك سامانه فشرده سازي تصويرداراي دوبلوك ساختاري جداگانه است يك رمز گذار و يك رمزبردارتصوير ورودي (x-y)f بازسازي مي شود.درحالت كلي ممكن است (x-y)f نسخه دوم دقيقي از (x-y)f باشد يانباشد.درحالت مثبت ؛سامانه بدون خطا يا نگهدار اطلاعات است اگر چنين نباشد مقداري اعوجاج درتصوير بازسازي شده وجود دارد.

 

رمزگذار ورمزبردار هردو داراي دوتابع يازير بلوك نسبتا“مستقل هستند.رمزگذار از رمزگذار منبع كه افزونگي هاي ورودي را حذف مي كند ورمزگذار كانال كه امنيت نويز خروجي رمزگذار منبع را افزايش مي دهد تشكيل مي شود همان طور كه انتظار مي رود رمز بردار نيز شامل يك رمزبردار كانال و به دنبال آن يك رمزبردار منبع است. اگر كانال بين رمزگذار و رمزبردار بدون نويز باشد(درمعرض خطا نباشد)رمزگذار و رمزبردار كانال حذف مي شوند ورمزگذار و رمزبردار كلي بترتيب معادل رمزگذار و رمزبردار منبع مي شوند.

 

رمزگزار ورمزبردار منبع

رمزگذار منبع مسؤول كاهش ياحذف هريك ازافزونگي هاي رمزنگاري ؛بين پيكسلي يا روان بصري در تصوير ورودي است كاربرد مورد نظر وميزان كيفيت مورد نياز تصوير بهترين روش رمزگذاري را تعيين مي كند معمولا“اين فرآيندرامي توان با دنباله ي از سه عمل مستقل مدل نمود.همانطور كه (الف)نشان مي دهد هريك از اعمال براي كاهش يكي از سه نوع افزونگي مشروح طراحي مي شوند شكل2رمزبردار منبع متناظر آن رانشان مي دهد.

 

درمرحله اول فرآيند رمزگذاري منبع نگاشت گر داده هاي ورودي را به يك قالب (معمولا“غير بصري)كه براي كاهش افزونگي هاي بين پيكسلي تصوير ورودي طراحي شده است ؛تبديل مي كند.اين عمل درحالت كلي معكوس پذير است و ممكن است مقدار داده مورد نياز براي نمايش تصوير را كاهش بدهد ياندهد.رمزنگاري طول دنباله (RL)(بخش هاي2.1.6و2.4.6)مثالي از يك نگاشت است كه درمرحله اول فرآيند كلي رمزگذاري منبع باعث فشرده سازي داده ها مي شودونمايش تصويربوسيله مجموعه اي از ضرايب تبديل مثالي ازحالت مخالف است دراين حالت نگاشت گر تصوير را به آرايه اي از ضرايب تبديل مي نمايد تا افزونگي هاي بين پيكسلي آن براي فشرده سازي درمراحل بعدي رمزگذاري قابل دسترس تر بشوند.

 

رمزگذارورمزبردار كانال

وقتي كانال شكل نويزدار يا درمعرض خطا باشد رمزگذار ورمزبرداركانال نقش مهمي درفرآيند كلي رمزگذاري –رمزبرداري بازي مي كنند اين دوبلوك براي كاهش اثر نويز كانال بوسيله افزودن يك شكل كنترل شده از افزونگي به داده هاي رمز شده منبع طراحي مي شوند گرچه خروجي رمزگذار منبع مقدار كمي افزونگي دارد اما بدون اضافه شدن افزونگي كنترل شده فوق اين خروجي نسبت به نويز انتقال بسيار حساس خواهد بود.

 

يكي از مفيدترين روش هاي رمزگذاري كانال بوسيله همينگ (1950)طراحي شد اين روش بر اساس افزودن بيت هاي كافي به داده هايي كه رمز مي شوند مي باشد طوري كه اطمينان مي دهد به ميزان حداقل لازم بين كلمات رمز معتبر تفاوت (فاصله)وجود داردبراي مثال همينگ نشان داد كه اگر 3بيت افزونگي به يك كلمه 4بيتي اضافه شود طوري كه فاصله بين هردو كلمه رمز معتبر 3باشد تمام خطاهاي يك بيتي رامي توان كشف و تصحيح كرد(با افزودن بيت هاي افزونگي بيشتر مي توان خطاهاي چند بيتي را كشف و يا تصحيح كرد.)