Beholder: Плагин FreqFilter

Уважаемые партнёры! Если вы продаёте продукцию "Beholder" и хотите увеличить количество покупателей за счёт посетителей нашего сайта, заинтересованных в приобретении продукции "Beholder", то вы можете написать запрос на адрес beholder#beholder.ru, и информация о вашей компании появится в разделе "Где купить" нашего сайта.
Телепрограмма Телегид
Телепрограмма
Valid HTML 4.01 Transitional

RSS-лента Beholder

Описание плагина FreqFilter


Плагин BPP_FreqFilter представляет собой наиболее распространённую разновидность частотного фильтра и предназначен для удаления периодического шума. Периодический шум возникает при наложении на изображение гармонических колебаний разной частоты и фазы и выглядит на экране в виде муара, ряби или диагональных полупрозрачных медленно перемещающихся или неподвижных полос. К возникновению таких помех приводят рассогласования в распределительных кабельных сетях, установка некачественные антенных разветвителей и усилителей.



Из-за относительно медленно меняющейся картины периодического шума темпоральные (временные) подавители шума принимают такого рода помехи за элементы изображения и не оказывают на них серьёзного влияния. Чтобы удалить периодические помехи с помощью пространственных шумодавов, последние должны иметь достаточно большие значения радиусов и прочих присущих этому классу фильтров параметров, что неизбежно приводит к разрушению изображения.

Для борьбы с периодическим шумом применяют частотные фильтры, которые работают с изображением в частотной области.

Чтобы понимать, как работает частотный фильтр, надо чётко представлять, что любой штрих, любая точка на экране, как, собственно, и всё изображение в целом, можно представить набором частот – синусоидальных колебаний, имеющих определённую амплитуду и начальную фазу. Более низкие частоты участвуют в формировании крупных элементов изображения, более высокие – мелких. Набор частот, участвующих в формировании изображения, называется спектром сигнала, отдельные частоты - гармониками. Чем больше в спектре высоких частот, тем чётче изображение и в нём больше мелких деталей. Амплитуды гармоник, из которых складывается изображение вдоль осей X и Y, можно увидеть в окне плагина BPP_FreqFilter.

Окно настроек плагина FreqFilter

В отличие от динамически меняющейся картины спектра основного сигнала, гармоника периодической помехи более или менее постоянна во времени и по частоте и, как правило, сильно выделяется на фоне общего спектра. Если помеха имеет строго постоянную частоту и фазу, то на экране она выглядит в виде неподвижных или медленно плывущих полупрозрачных вертикальных полос. На спектре такая помеха проявляется в качестве двух ярких неподвижных точек. Наклон полос на экране определяет положение точек по оси Y в спектре.

Если помеха представляет собой модулированный по частоте или фазе сигнал, например, следы гармоник поднесущих звука и цвета изображения, то точка на спектре размывается в вертикальную линию или полоску. На экране такая помеха выглядит как муар.

Для того, чтобы удалить периодическую помеху, телевизионный сигнал переводится в частотную область, гармоника помехи локализуется и подавляется по амплитуде. Затем спектр обратно преобразуется к сигналу привычного вида. Эта процедура называется фильтрацией в частотной области. Коэффициент подавления или усиления какой-либо гармоники или участка спектра задаётся фильтром. Плагин позволяет построить элементарные фильтры трёх типов:

«Dot» - точечный фильтр Баттерворта, предназначенный для подавления отдельных гармоник. Параметрами фильтра являются: центральная частота фильтрующего окна «Fx» и «Fy», ширина фильтрующего окна по горизонтали и вертикали «Wx» и «Wy», порядок фильтра «Order» и глубина фильтрации «Strength». Фильтр «Dot» имеет дополнительную особенность. При установке значения «Strength» равным нулю окно Баттерворта подменяется на адаптивную функцию, которая не вырезает, а маскирует выделенную гармонику, опираясь на средний уровень окружающего её спектра.

«Win 1D» - полосовой фильтр Баттерворта, предназначенный для подавления периодических помех с переменной частотой и фазой. Данный фильтр работает только со строками и не оказывает никакого влияния на изображение вдоль его вертикальной оси. Фильтр характеризуется центральной частотой фильтрующего окна «Fx» (параметр «Fy» игнорируется), шириной фильтрующего окна «Wx» (параметр «Wy» игнорируется), порядком и глубиной фильтрации.

«Win 2D» - полосовой фильтр Баттерворта, предназначенный для усиления/подавления полосы частот вдоль осей X и Y изображения. Фильтр может использоваться для повышения чёткости или сглаживания изображения в его горизонтальной и вертикальной плоскости. Параметрами фильтра являются: положение и ширина полосы фильтра по оси X, положение и ширина полосы по Y, порядок и глубина фильтрации.

Плагин позволяет создать неограниченное количество элементарных фильтров и, тем самым, придать общему фильтру любую желаемую форму. Чтобы создать элементарный фильтр, кликните по кнопке «Добавить фильтр» и выберите в окне спектра положение будущего окна. По умолчанию создаётся точечный фильтр типа «Dot», который впоследствии можно преобразовать к любому другому типу. При выборе элементарного фильтра значения его параметров переносятся в строку для редактирования выше над списком. Включить/отключить фильтр и выбрать нужный параметр для редактирования можно при помощи комбинаций горячих клавиш «Ctrl»+«`»…«8».

Для преобразования сигнала к частотному виду используется алгоритм быстрого преобразования Фурье (Fast Fourier Transform - FFT). Алгоритм обрабатывает изображение в строках, длина которых фиксирована и равна степени числа 2 – 256, 512 и 1024. Чем длиннее строка, тем большего размера кадр может быть обработан без потери качества. Потери возникают в том случае, если размер кадра по горизонтали больше длины FFT строки. Загрузка процессора пропорциональна длине строки. При просмотре эфирных каналов в целях оптимизации загрузки CPU длину строки можно без заметных потерь в качестве уменьшить до 512.

Работа со спектром изображения.

Как отмечалось выше, качество и чёткость любого изображения напрямую зависит от ширины и заполнения его частотного спектра. Оцифровка видеосигнала осуществляется тюнером с частотой 13.5МГц. При этом на одну телевизионную строку длительностью 52мкс приходится 702 отсчёта. Соответственно, максимальная ширина спектра оцифрованного телевизионного сигнала по горизонтали для кадра с размерами 704х576 равна 13.5 / 2 = 6.75МГц. Однако при эфирной трансляции для формирования наиболее информативной части видеоизображения – его яркостной составляющей отводится далеко не вся полоса спектра телевизионного сигнала. На частотах выше 4МГц передаётся информация о цвете и звуковое сопровождение телевизионной программы. При восстановлении телевизионного сигнала из него удаляется всё «лишнее», после чего участок спектра выше 3.5МГц в системе SECAM как правило не содержит никакой полезной информации.

На частотах 4.25МГц и 4.406МГц хорошо видны следы не до конца подавленных поднесущих цвета телевизионного сигнала. Остатки поднесущих представляют собой периодическую помеху, которая вызывает рябь на участках изображения с насыщенными и резкими цветовыми переходами. В наибольшей степени этот недостаток присущ телевизионной системе SECAM. Владельцам плат телевизионных тюнеров, построенных на чипсетах серии SAA713x, доступен аппаратный «Антиалиас фильтр для SECAM», который решает проблемы с поднесущими, правда, за счёт незначительной потери чёткости изображения.

Те, кому эта функция недоступна, могут создать свой антиалиас фильтр на основе «Win 1D» фильтра плагина.

Информация о спектре видеоизображения может быть полезна при записи. Зная её, можно до определённой степени уменьшить размеры кадра и тем самым существенно сэкономить на битрейте, а следовательно на размере конечного файла. На скриншотах ниже приведены спектральные характеристики одного и того же кадра VHS записи для разных размеров видеопотока - 704x576, 480x576 и 352x576 соответственно.

Спектр кадра 704x576 видеозаписи VHS Спектр кадра 480x576 видеозаписи VHS Спектр кадра 352x576 видеозаписи VHS

Несмотря на то, что уменьшение размера кадра до 480x576 привело к сужению спектра, картинка для этого разрешения не изменилась, т.к. полосы 4.6МГц более чем достаточно для передачи всех частотных характеристик видеозаписи стандарта VHS. В данном случае размер кадра 704x576 с его максимальной шириной спектра 6.75МГц является явно избыточным. При желании размер кадра можно уменьшить ещё больше, до 352x576. При этом за пределами полосы пропускания 3.4МГц остаются остатки цветовой поднесущей системы PAL в районе 4.5МГц. С одной стороны это хорошо, с другой, при таком разрешении уже начинает затрагиваться спектр полезного сигнала, что становится заметно на глаз.

Таким образом, без ощутимого ущерба для качества изображения размер кадра при записи можно уменьшать до разрешения 480 точек по горизонтали. Именно разрешение 480х576 принято в качестве стандарта SVCD как наиболее оптимальное для оцифровки эфирного телевизионного сигнала SECAM и VHS записей.

Если же рассматривать телевизионный SD сигнал системы PAL, взятый с видеовыхода DVD плеера, спутникового ресивера, игровой консоли или DVB приставки, то он будет занимать почти всю отведённую для него полосу частот 6.0-6.5МГц и здесь уже сэкономить на размере кадра не получится.

Спектр кадра формата PAL

Полное удаление или изменение амплитуды какой-либо гармоники спектра не проходит бесследно и приводит к появлению искажений в виде так называемого «звона» - ложных контуров на границах резких переходов контрастных объектов на экране. Величина звона зависит от размеров фильтрующего окна, его близости к началу координат спектра и порядка фильтра. Чем больше окно, тем глаже функция фильтра и меньше искажения. Однако при большом окне вместе с помехой захватываются и подавляются соседние частоты, что приводит к замыливанию изображения. При настройке фильтра часто нет необходимости в полном подавлении какой-либо частоты. Если паразитная гармоника имеет постоянную амплитуду, то достаточно бывает так подобрать параметр «Strength» фильтра, чтобы помеха просто не выделялась на окружающем её фоне. В случае с точечной помехой идеальным вариантом является применений адаптивного фильтра, который показывает неплохие результаты, если помеха расположена в малоактивной области спектра.


Список изменений и дополнений

Версия 1.00
  • Первая версия плагина.
Версия 1.01
  • Добавлена визуализация фильтра.

Ссылка на плагин: BPP_FreqFilter_v101.zip (61.9 kb)

24.10.14