Giáo trình xử lý ảnh y tế Tập 4 P1

Chia sẻ: Cinny Cinny | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:7

Thêm vào BST

Báo xấu

255
lượt xem 9
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Chỉ dẫn Truyền hình là một lĩnh vực áp dụng nhiều kỹ thuật của xử lý tín hiệu hai chiều. Vì vậy chúng ta sẽ xem xét các kiến thức cơ bản về hệ thống tín hiệu truyền hình và các tiêu chuẩn truyền tải tín hiệu truyền hình. Trong phần này chúng ta cũng xem xét các đặc tính và giới hạn trong của hệ thống cảm nhận của con người. Các tiêu chuẩn truyền hình hiện nay và trong tương lai đều dựa trên các giới hạn này. ...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình xử lý ảnh y tế Tập 4 P1

CHƯƠNG 14 XỬ LÝ HAI CHIỀU TÍN HIỆU TRUYỀN HÌNH 14.1 Chỉ dẫn Truyền hình là một lĩnh vực áp dụng nhiều kỹ thuật của xử lý tín hiệu hai chiều. Vì vậy chúng ta sẽ xem xét các kiến thức cơ bản về hệ thống tín hiệu truyền hình và các tiêu chu ẩn truyền tải tín hiệu truyền hình. Trong ph ần này chúng ta cũng xem xét các đặc tính và giới hạn trong của hệ thống cảm nhận của con người. Các tiêu chuẩn truyền h ình hiện nay và trong tương lai đ ều dựa trên các giới hạn này. Tiếp theo chúng ta sẽ đề cập đến việc xử lý tín hiệu hai chiều tương tự trong ảnh truyền hình. Các khái niệm truyền hình có độ phân giải cao (HDTV) và truyền hình nổi (EDTV) c ũng được đề cập đến trong phần này. Chương này làm nền tảng cho hai chương tiếp theo khi thiết kế bộ lọc tương tự và phần cứng cho xử lý thời gian thực. 14.2 Hệ thống truyền hình cơ bản Một ảnh, được tạo ra từ một tín hiệu quang học, được chuyển sang tín hiệu điện qua một bộ biến năng đặc biệt đặt trong camera. Các phần tử nhậy ánh sáng của camera chuyển các cảnh thành các phân bố độ chói để chuyển đổi. Một kiểu vật liệu hay đư ợc dùng đ ể thiết kế các bộ biến năng này là nguyên tố Selen được nhà bác học Thuỵ Điển, Berzelius tìm ra vào năm 1817. Thuộc tính nhậy cảm với ánh sáng của nó đư ợc tìm ra vào năm 1873. Trong một camera, phân bố ánh sáng trên phần tử cảm quang gây nên các độ dẫn khác nhau. Các vùng mà nh ận ít ánh sáng hơn thì có tính dẫn kém hơn so với các vùng nhận đư ợc nhiều ánh sáng hơn và một cảnh được chuyển thành sự phân bố độ dẫn trong vật liệu truyền dẫn. Sự phân bố của các độ dẫn này có thể chuyển thành sự phân bố điện tích bằng cách cho một dòng đ iện không đổi đi qua vật liệu. Trong các camera chỉ dùng bán dẫn hiện đại, vật liệu cảm nhận ánh sáng được chia thành các ngăn nhỏ, mà mỗi ngăn này cho một nguồn dòng đ iện biểu diễn cho cường độ chói trung b ình trên bề mặt của ngăn. Dòng điện cảm ứng này có thể đưa ra m ạch xử lý nhờ một loạt tế bào gậy ghi dịch tương tự gọi là thiết bị ghép (CCDs). Các loại camera nh ư thế này gọi là CCD camera. Các dòng đ iện cảm quang được đọc ra ngo ài từ các ngăn thông qua quá trình quét. Hình 14.1 biểu diễn cho một chu kỳ quét. Để có thể nhìn thấy các tín hiệu như m ột ảnh ta phải thực hiện một quá trình ngược lại (có nghĩa là chuyển các dòng điện thành các tín hiệu cường độ chói trong video). Các bước cuối cùng của công việc này được thực hiện trên đèn hình (CRT) của tivi. Để có thể giải m ã đ ược tín hiệu truyền hình nh ận được bởi một chiếc tivi thì phải 391
có nhiều tin tức được cho thêm vào tín hiệu. Các tin tức n ày sẽ là th ời điểm bắt đầu của một dòng quét và thời điểm bắt đầu của một ảnh mới. Chức năng của các tín hiệu này là để đồng bộ giữa nơi phát tin và nơi nhận tin. Đồng bộ cho dòng quét ngang là các tín hiệu đồng bộ dòng, đồng bộ cho ảnh là các tín hiệu đồng bộ mành. Vật liệu quang dẫn được chia thành các H ô nhỏ. H CCD Tín hiệu video. ánh sáng biến đổi dựa trên cảnh đ ã được chuyển sang vật mang. Hình 14.1 Dòng quét. Hình 14.2 biểu diễn một hệ thống truyền hình cơ b ản. Tín hiệu m à bao gồm cả tín hiệu video và xung đồng bộ gọi là tín hiệu video tổng hợp. Hình 14.3 biểu diễn một tín hiệu video tổng hợp được tạo ra bởi sơ đồ đơn giản của khối phát và khối nhận. Tín hiệu video từ camera được cộng thêm tín hiệu đồng bộ mành và tín hiệu đồng bộ dòng mà các tín hiệu này cũng đư ợc dùng để điều khiển camera. Tín hiệu tổng hợp video được điều chế bằng một dao động có tần số RF. Công suất của tín hiệu được khuyếch đại bằng khối khuyếch đại công su ất sau đó được truyền ra ăngten. Ở nơi nhận, nếu chuyển hộp kênh về tần số của nơi phát thì sẽ nhận được tín hiệu. Nếu tín hiệu này đư ợc giải điều ch ế về tần số tín hiệu gốc thì các xung đồng bộ sẽ chia các tín hiệu này thành các quãng chia đồng bộ. Các xung đồng bộ dòng và các xung đồng bộ m ành được dùng loại bỏ các thiếu hụt khi hiện th ị ảnh trên CRT. Chú ý là trên hình 14.3 các xung đồng bộ mành có chu kỳ dài hơn các chu kỳ của xung đồng bộ dòng. 392
14.3 Đặc tính cảm nhận ánh sáng của con người và các hệ thống quét Các đ ặc tính của mắt con người xác định các số dòng nhỏ nhất có thể được, số ảnh truyền đi trong một giây, và độ sáng của ảnh nhận đư ợc. Các đặc tính này là: 1. Khả năng phân biệt các chi tiết. 2. Độ lưu ảnh. 3. Cảm nhận độ sáng cũng như màu sắc. CRT Bộ phát. CCD camera. R.F Bộ thu. Mo R.F A Det. + Amp A Hư ớng dọc Bộ Hư ớng ngang Hư ớng dọc Đồng đồng Hư ớng ngang bộ. bộ khuếch đại. bộ điều biến. A Mod tần số radio. bộ tách sóng. R.F. Det bộ tạo dao động. đèn hình. osc. CRT khu ếch đại công suất. P.A. 393
H ình 14.2 Hệ thống truyền hình cơ b ản. H ình 14.3 Tín hiệu video tổng hợp. 14.3.1 Độ phân giải Hình 14.4 biểu diễn một hệ thống cảm nhận quang học của mắt người. Mắt tập trung các chi tiết trên ảnh vào võng m ạc. Võng mạc bao gồm hai loại tế bào cảm nhận ánh sáng. Chúng được gọi là các tế bào gậy và các tế bào nón . Các tế bào gậy là các phần tử cảm nhận độ sáng còn các tế bào nón là các phần tử cảm nhận màu sắc. Có vào kho ảng 6.5 triệu tế bào nón và vào khoảng 100 triệu tế bào gậy. Có vào khoảng 0.8 triệu dây thần kinh truyền hình ảnh vào bộ não. Vùng sắc nét nhất của ảnh được cảm nhận ra từ một vùng trên võng m ạc gọi là hố võng mạc, nơi có m ật độ tế b ào nón cao nh ất. Ở vùng này và m ột vùng nhỏ xung quanh nó gọi là đ iểm vàng, các phần tử cảm nhận ánh sáng chủ yếu là tế bào nón. Các ph ần còn lại của các võng mạc được bao phủ bởi tế bào gậy, và đáp ứng cho các phần có độ sáng ở mức thấp. Các tế bào nón ở hố võng m ạc được liên kết bằng những sợi thần kinh riêng biệt tới n ão, trong khi một số tế b ào nón dùng chung một dây thần kinh. Hình 14.4 Cảm nhận quang học của mắt người. Độ phân giải của mắt người xác định bởi sự phân tách giữa các tế bào cảm nh ận ánh sáng. Các tế b ào lân cận tại hố võng mạc tạo thành góc xấp xỉ 1 phút tính từ tâm thuỷ tinh thể. Điều đó cho ta giới hạn của độ phân giải như saui: 1 Giới hạn của độ phân giải = 2  D  tan    120    2.9110 4  D (14.1)  2 D 120 180 394
ở đ ây D là khoảng cách nhìn. Vì vậy, khi nh ìn ở khoảng cách 3 m  1 0 ft, độ phân giải thấp nhất mà mắt người có thể phân biệt được là vào khoảng 1 mm. Vì thế, theo tiêu chuẩn của Mỹ cho hệ truyền hình 525 dòng, loại tivi tốt nhất là có chiều cao vào khoảng 500 mm  19 inch cho xem ở khoảng cách 10 ft. Nếu coi rằng tivi này có tỷ lệ là 4:3 (rộng trên cao), kích thước của loại tivi này là 28 inch. Vì vậy, lo ại tivi kích th ước 28 inch là loại tivi thích hợp nhất dùng trong gia đình. Dù nh ư vậy đi chăng nữa, ngày nay h ầu hết các tivi đều có một màn ảnh rộng hơn. Nếu bạn cần có một tivi 56 inch thì bạn cũng sẽ cần một khoảng cách nhìn gấp đôi, mà điều kiện này không phải lúc n ào cũng được thoả mãn đối với các căn hộ hiện đại, để đáp ứng được điều này ta cần dùng một kỹ thuật mới m à tôi sẽ đề cập đến ở phần cuối của ch ương này. Giới hạn về khả năng phân biệt các chi tiết của mắt người cho phép ta tính toán kích thước tối ưu nhất cho màn ảnh tivi. Tuy nhiên, còn có một số tham số khác giới hạn khả năng này. Sự tác động khác nhau của kích thước lỗ mở và dải sóng của ảnh sáng  thay đổi một giá trị nhỏ trong góc phân giải. Nếu d là đường kính của con ngươi, th ì góc phân giải có thể tính từ:  (14.2)   1.22 d Độ phân giải tổng hợp được tính bằng giá trị trung bình của độ sáng B của ảnh, và đ ộ tương phản C, độ tương ph ản này được tính theo sự khác nhau về độ sáng của một miền sáng nhỏ với mức sáng của to àn bộ bề mặt. Mối quan hệ này được biểu diễn: (14.3)   kC B ở đ ây k là một hằng số. 14.3.2 Tầm nhìn Nếu chuyển từ hố võng m ạc ra ngoài, khả năng phân giải của mắt người giảm xuống một cách nhanh chóng, cụ thể là giảm xuống 20 phần trăm khi góc thay đ ổi 100 theo hướng quan sát chính. Điều n ày gây nên sự giảm khả năng phân biệt của mắt người trong các miền bên ngoài hố võng m ạc. Tầm nhìn chính của mắt ngư ời được xác định theo phương ngang và phương dọc vào khoảng từ 300 đến 400, dựa theo tiêu chuẩn khả năng phân biệt của mắt ngư ời giảm xuống khoảng 15 phần trăm so với khả năng phân biệt lớn nhất ở vùng ch ết. Trong ví dụ trư ớc đây, một tivi 28 inch ở khoảng cách 10 feet cho ta một góc nhìn là gần 90. Một tivi 56 inch cho ta một góc nhìn xấp xỉ 180, trong khả năng tầm nhìn của mắt người. Vì vậy loại tivi 56 inch (thường gọi là kiểu tivi màn ảnh rộng) được trang bị nhằm cung cấp cho người dùng một h ình ảnh với số dòng gấp đôi. 395
14.3.3 Cảm nhận độ sáng Mắt con người có thể điều tiết cảmnhận một khoảng rất rộng của cường độ sáng, mức cao nhất là vào kho ảng 50,000 cd/cm2 (nits). Mức thấp nhất của độ sáng mà mắt người có thể phân biệt được là vào kho ảng 0.03 nits trong các điều kiện bình thường. Trong các cảnh tối, mắt người có khả năng phân biệt được mức tối dưới 10 -5 nits. Cảm nhận thực sự về cường độ sáng của mắt người là một h àm logarit của độ chói trên ảnh. Cảm nhận thực sự S với hai mức chói có cường độ B1 và B2 là B1 (14.4) S  K log B2 Độ tương ph ản trên ảnh được biểu diễn như một tỷ lệ của giá trị cực đại với cường độ sáng thấp nhất. Trong ánh sáng ban ngày, m ắt con người có khả năng phân biệt độ tương phản vào kho ảng 1000:1, khi độ sáng thấp nhất nằm ngoài khoảng 10:1. Trong một h ình ảnh tivi, tỷ lệ tương phản là vào kho ảng 10 đến 40. Trong một độ chói của loại tivi b ình thường (1 đến 40 nits), khoảng cách các bước tăng của độ tương phản của mắt người là vào kho ảng 0.03. Với một tỷ lệ tương ph ản 10 đến 40 mắt người có thể chú ý các mức thay đổi từ 80 đến 100, vào khoảng 100 là giá trị trung bình. Trong h ệ thống PCM để mã hoá đòi hỏi phải có 7 bit. Với 7 bit, chúng ta có thể sẽ không thể phân biệt các chi tiết ở các miền rất nhỏ. Thông thường hay dùng 8 bit/màu cho một điểm, và điều n ày cung cấp cho ta một hình ảnh tốt h ơn, cho phép mắt người phân biệt các chi tiết trong cả các miền rất nhỏ. 14.3.4 Tỷ lệ màn ảnh Khả năng chuyển động của mắt người theo chiều ngang th ì kém hơn khả năng chuyển động của mắt người theo chiều dọc. Vì lý do này nên thực tế là chiều ngang của vùng hố võng m ạc rộng h ơn chiều dọc của vùng hố võng mạc, nên tỷ lệ của màn ảnh tivi sẽ là 4:3. Tỷ lệ này cho ta kh ả năng quan sát tốt nhất. (a) (b) H t 396 H V t V
H ình 14.5 (a) Quá trình quét từ đỉnh đến đáy của tia điện tử; (b) quá trình quay trở lại theo chiều dọc của tia điện tử; (c) Dạng sóng lái tia. 14.3.5 Dòng quét tại phía thu Một quá trình quét thì tạo nên hình ảnh trên CRT ở phía thu. Quá trình quét dùng các xung đồng bộ để đồng bộ giữa nơi phát và nơi thu như đã trình bày ở ph ần trước. Có hai quá trình quét toạ độ nên một hình ảnh, một quá trình làm tia điện tử chuyển động theo chiều ngang từ trái qua phải, một quá trình khác làm cho tia điện tử chuyển động theo chiều dọc (Hình 14.5a, b). Tốc độ chuyển động của tia theo cả hai phương là một hằng số và được cho bằng khoảng cách H và V cho trong hình 14.5c. Khoảng cách này được các cuộn lái tia của CRT là lệch hướng của tia điện tử. Tia điện tử hiện ảnh bằng các dòng quét từ trái qua phải qua một chu kỳ lặp nhỏ; sau đó nó lại quay lại cạnh trái. Quá trình quét ngược thì tiến h ành với một tốc độ rất cao và trong suốt quá trình quét ngược, hình ảnh bị che khuất bởi các tia điện tử. Sau khi hoàn thành quét xong một ảnh, tia điện tử được quét quay trở lại với một tốc độ rất cao về góc trên cùng bên tay trái. Trong quá trình quay trở lại theo chiều dọc tia điện tử bị cắt. Tốc độ quét tối thiểu của tia điện tử theo chiều dọc được xác định theo chiều dọc được xác định bởi độ lưu ảnh của mắt. 14.3.6 Tính lưu ảnh và sự rung Khi một hình ảnh đột nhiên chiếu lên võng m ạc thì hình ảnh đó vẫn còn lưu trên võng mạc một giây sau khi ánh sáng mất đi. Kết quả là các tín hiệu độ sáng vẫn được truyền đến bộ n ão. Đặc tính này của hệ thống nh ìn của chúng ta gọi là tính lưu ảnh. Tính chất n ày làm cho một loạt các khung ảnh phải trình bày với tốc độ bằng hoặc ít hơn độ lưu ảnh. Xuất hiện sự rung h ình trong quá trình chuyển động giữa các khung ảnh với nhau. Tại tốc độ 60 khung hình một giây thì sự rung h ình biến mất. Trong một máy truyền h ình, các hình ảnh được trình bày với tốc độ bằng tần số của nguồn điện cung cấp (60 đến 50 Hz). Lý do của việc n ày là tránh sự không đồng bộ của nguồn điện và hình ảnh. 14.3.7 Quét xen kẽ Như đã đề cập ở phần trên, 60 khung/giây là cần thiết để tránh sự rung hình. Số dòng nhỏ nhất là 525 dòng theo tiêu chuẩn truyền hình Mỹ. Con số này xác 397