Masterand: ALEXE Ioana Madalina

Caracteristici ale semnalelor video folosite în analiza şi prelucrarea imaginilor

şi secvenţelor video pentru detectarea falsurilor

În timpul Războiului Crimeii, dintre anii 1853-1856, fotograful Roger Fenton a reuşit să

surprindă un cadru care avea să devină celebru. Într-una dintre fotografiile sale este înfăţişat un

drum arid pe care se află zeci de proiectile de tun. Imaginea a primit descrierea de "Valea

umbrelor morţii" şi a devenit în scurt timp faimoasă, deoarece înfăţişează peisajul războiului din

acea vreme.

Fotografia lui Fenton a fost considerată destul de multă vreme drept una dintre primele fotografii-

document care înfăţişează războiul. Cu toate acestea, conform documentaristului de film Errol

Morris, imaginea este un fals. Cu ajutorul atenţiei sale la detaliu şi celor citite într-o carte care

tratează asemenea subiecte, semnată de Susan Sontag, Morris a lansat teoria prin care susţine că

imaginea este trucată.

1

Errol Morris a urmărit acest subiect şi s-a întâlnit în Crimeea cu Dennis Purcell, inginer

optic şi un grup de cinci istorici. Între Morris şi specialişti s-a iscat o dispută, istoricii susţinând că

acele proiectile erau adesea strânse de către soldaţi pentru a fi refolosite. La o analiză mai atentă

Morris şi Purcell au stabilit că în funcţie de gravitaţie proiectilele se rostogoleau în şanţuri, astfel

încât cele de pe drum nu aveau cum să rămână în acele poziţii o perioadă îndelungată de timp.

Falsificarea se poate realiza prin:

- modificarea culorilor;

- ajustarea contrastului;

- defocalizarea unor zone de imagine.

Semnalul video este un semnal artificial şi are 312,5 linii fiecare cadru, condiţia ca fiecare

semnal să poată fi recepţionat şi pe vechile dipozitive din cauza costurilor ridicate ale schimbării

infrastructurii vechi cu cea nouă.

Atat video cat si filmul se afiseaza printr-o succesiune de imagini discrete, astfel: film 24

cadre/s, video NTSC 30 cadre/s, video PAL si SECAM 25 cadre/s. In timp ce cadrul de film este o

imagine continua, cadrul video este impartita in linii. Numarul de linii la video analog este: NTSC

525 linii/cadru, iar la PAL si SECM 625 linii/cadru.

Video este afisat (si inregistrat) prin scanare de rastru (deplasari stanga-dreapta si sus-jos).

Dupa terminarea unei linii are loc intoarcerea pe orizontala, iar dupa un cadru intoarcerea pe

verticala. Pana nu demult dispozitivul de baza de afisare a fost tubul catodic (cathode ray tube

CRT). Fasciculul de electroni baleiaza ecranul activand celulele fosforescente (cate o celula pentru

2

fiecare pixel la tubul monocrom, respectiv cate trei celule la tubul color RGB). Scanarea se poate

face fie intretesut, fie progresiv.

In scanarea intretesuta, utilizata de monitoarele de televiziune analogica, un cadru este

impartit in doua campuri: campul de sus (impar) continand liniile impare si campul de jos (par)

continand liniiile pare.

1

Standardele video sunt caracterizate mai degraba de rata de campuri decat rata de cadre. Astfel

PAL si SECAM utilizeaza 50 campuri/s (deci 25 de cadre/s), iar NTSC 59.94 campuri/s (deci 29.97

cadre/s).

Scanarea intretesuta rezolva problema flikerului (ochiul uman necesita minim 40 cadre/s

pentru a percepe o miscare continua).

In scanarea progresiva fiecare cadru este scanat linie cu linie de sus in jos (un cadru are un

singur camp, deci rata de cadre este identica cu rata de campuri). Se utilizeaza in multe monitoare de

calculator si in DTV. Pentru unele specificatii video se adauga sufixul i sau p indicand tipul de

scanare intretesuta sau progresiva.

Raportul de aspect pentru televiziunea standard bazata pe CRT este 4:3 (1.33:1).

Omul percepe o imagine continuă, dacă îi sunt transmise 50 poze/secundă, luate în momente

diferite.

Din experienţă s-a constatat că ochiul are o frecvenţă critică de 43 herţi/secundă care arată

continuitatea mişcării.1

3

Imaginile care se dau :

Filduri

Câmpuri

Semicadre

2 semicadre = 1 cadru

Ca să fie genereze o imagine pe care o percepe ochiul uman facem o parcurgere de 50 ori pe

secundă. Din considerente de largime de bandă s-a ales axa OX cu 625 de linii pe un cadru, dar nu

toate sunt active pentru semnalul analogic.

Pentru semanlul digital se face o discretizare şi pe axa OY, în afară de OX.

Între 2 semicadre diferite în timp există multe asemănări pe baza cărora se fac analizele

asupra veridicităţii, nu se pot schimba prea multe elemente.

Retinem ca 1 cadru apare la 40 milisecunde.

Analiza dintre 2 secvenţe video presupune existenţa impulsurilor sincronizate şi existenţa

multor asemănări.

Un semnal video care are afectate impulsurile de sincronizare este un semnal video care nu

poate fi reprodus din cauza faptului că au o altă durată, s-a modificat componenta continuă şi

semnalele de sincronizare sunt defecte.

În ultimii ani s-a trecut la baleierea progresivă, prin care se citeşte prin acelaşi mecanism,

în mod simultan cu 575 de linii şi întoarcerea tot cu 25 linii.

Când se foloseşte baleierea întreţesută şi avem elemente în mişcare, imaginea e neclară,

confundându-se cu inexistenţa unui stabilizator, lucru complet fals.

Astfel rezultă faptul că pentru o expertiză criminalistică avem nevoie de o beleieră

progresivă, pentru a analiza o imagine.

Acest tip de analiză ajută la recunoaşterea persoanelor şi la identificarea plăcuţelor de

înmatriculare, care sunt criteriile de bază pentru expertize criminalistice.

Dacă nu are impulsurile de sincronizare necesare, nu mai avem imagine.

În semnalul video cea mai importantă este componenta continuă, doar alterând componenta

continuă, putem falsifica foarte uşor imaginea, astfel pentru expertiză cele mai importante informaţii

le dă componenta continuă.

Cea mai mica freceventa din spectrul semnalului video este frecventa 0, componenta

continua, care depinde de continutul imaginii. Aceasta nu se transmite decat in cazul distributiei

semnalului video pe distante scurte, caz in care se face distributie in banda de baza (semnal

nemodulat). La transmisia semnalului video modulat la distanta mare nu este necesara transmisia

acestei componente deoarece se

4

poate oricand aseza semnalul video cu nivelul de stingere (foarte apropiat de nivelul de negru) pe

ceea ce se numeste tensiunea de taiere (blocare) a dispozitivului de afisare. In acest mod toate

nivelele de gri vor fi redate corespunzator. Circuitele care fac acest lucru in receptorul TV se numesc

circuite de axare sau de fixare a componentei continue. Urmatoarea frecventa din spectru dupa

frecventa 0 este frecvenţa semicadrelor f v(50 Hz in standardul cu 625 linii si 50 Hz), deoarece nu

există semnal cu frecvenţă mai joasă decât aceasta în componenţa semnalului video.

Cat despre frecventa video maxima, sa presupunem ca imaginea noastra are o structura de

linii verticale albe si negre succesive. Explorand aceasta imagine se formeaza un semnal periodic, cu

perioada T ce se poate calcula daca se imparte durata cursei active pe orizontala dHT la numarul de

perechi de linii albe si negre din imagine (perioade). Frecventa semnalului video f = 1/T este cu atat

mai mare cu cat sunt mai multe linii in imagine. De exemplu, daca avem 100 de perechi de linii

verticale albe si negre, atunci perioada semnalului este Tdh=52μs divizat cu 100, adica 0,52

microsecunde, ceea ce corespunde unei frecvente a semnalului video de aproximativ 2 MHz. Daca in

loc de 100 de perechi de linii avem 200, atunci frecventa semnalului video se dubleaza si ajinge la

aproximativ 4 MHz.

Rezulta din acest exemplu faptul ca frecventa semnalului video este proportionala cu

rezolutia imaginii pe directie orizontala. Cu cat imaginea are detalii mai fine pe orizontala, cu atat

vom avea frecvente mai mari in semnalul video. Problema care se pune, este la ce frecventa trebuie

limitata banda semnalului video astfel incat sa avem o imagine de buna calitate. Solutia este de a

limita aceasta banda

la o valoare care corespunde rezolutiei ochiului pe directie orizontala. Testele subiective au aratat ca

ezolutia ochiului es

te la fel de buna pe orizontala ca si pe verticala si este mai slaba pe directie diagonala. Pe de alta

parte, rezolutia pe verticala a imaginii a fost fixata odata cu alegerea numarului de linii de explorare.

In consecinta, banda semnalului video va fi limitata la acea valoare care corespunde aceleiasi

rezolutii si pe orizontala.

Cea mai mare frecvenţă video care poate fi atinsă dă cel mai mic detaliu care poate fi

reprodus. Orice variaţii mai mici decât acesta nu mai pot fi redate. Sa presupunem ca

imaginea este esantionata pe orizontala si pe verticala si ca avemelemente de imagine de

forma dreptunghiulara in numar de N x pe orizontală şi N y pe verticala. Rezultă o perioadă

de transmisie a unui element de imagine egala cu perioada unui cadru divizata cu numarul

total de elemente dintr-o imagine. Conform teoremei esantionarii frecventa video maxima va fi :

Pentru a sti ce reglaje trebuiesc efectuate unui emitator pentru corectarea distorsiunilor, este necesar

mai întâi sa fie cunoscute cauzele care le produc. Totdeauna se va avea în vedere faptul ca, analiza unui

semnal se face nu numai la un capat al liniei de transmisie, ci la întreaga linie, adica, la receptie (la

5

utilizator). Cum nu este posibil sa se tina seama de toate imperfectiunile tuturor receptoarelor, s-au stabilit

parametri medii pentru acestea si s-au realizat receptoare de masura (demodulatoare), care tin seama de

modul de procesare al semnalului care trebuie transmis. În aceste conditii reglajele care se efectueaza la

emitator, include si echipamentul de la celalalt capat al liniei de transmisie.

Diferitelor etaje componente ale unui emitator de TV (lantului video în mod special) li se impun

cerinte de transmitere cu predistorsiuni ale formei semnalelor.

Elementele componente ale lantului video în ansamblu, se pot reprezenta sub forma unui cuadripol.

De aceea, la determinarea caracteristicilor principale ale lantului video se folosesc definitiile uzuale pentru

caracteristicile respective ale cuadripolului.

Tipuri de distorsiuni

Corespunzator recomandarilor CCIR principalii parametri tehnici de calitate ai unui emitator de televiziune

pot fi clasificati în urmatoarele categorii.

a) Distorsiuni liniare

b) Distorsiuni neliniare

c) Zgomote

În afara acestor distorsiuni se tine seama de:

d) Parametri tehnici specifici emitatoarelor de televiziune

e) Parametri tehnici ai punctelor de interfata

DISTORSIUNI LINIARE

Distorsiunile liniare sunt de doua feluri: distorsiuni de amplitudine si distorsiuni de faza.

Distorsiunile liniare sunt provocate de elementele reactive ale etajelor de amplificare. Ele se pot aprecia

dupa caracteristicile de amplitudine-frecventa si dupa cele de faza-frecventa sau dupa caracteristicile

tranzitorii ale lantului video.

A) Distorsiuni de amplitudine (sau amplitudine-frecventa)

Distorsiunile de amplitudine sunt produse de amplificarea inegala a componentelor de frecventa diferita ale

semnalului de intrare.

Amplificatorul din lantul video al unui emitatorTV (sau al unui receptor), va trebui sa fie de banda larga

daca se tine seama de spectrul larg de frecvente pe care trebuie sa-l amplifice.

6

Distorsiunile amplitudine-frecventa, sunt definite prin variatia factorului de amplificare în banda de

frecvente de la frecventa semicadrelor pâna la frecventa limita maxima video a sistemului, raportata la

factorul de amplificare al unei frecvente determinate. Prin urmare, pentru a se evita distorsionarea

semnalelor, caracteristica de amplitudine-frecventa trebuie sa fie uniforma, adica coeficientul de

transmisiune pentru întregul spectru de frecvente al semnalului video sa fie constant.

Distorsiunile liniare pot fi analizate fie în domeniul timp, fie în domeniul frecventa. Teoretic, este de

asteptat ca, un circuit de transmisie care are acesti parametri reglati corect în norme, ar trebui sa reproduca la

iesire forma semnalului aplicat la intrare, în limitele corespunzatoare largimii de banda a canalului

sistemului respectiv. În practica însa, se constata o oarecare necorespondenta între parametri de analiza în

domeniul timp si parametri de analiza în domeniul frecventa, care de multe ori necesita ajustari de

compromis asupra parametrilor din domeniul frecventa pentru corectarea formei semnalului transmis.

Necorespondenta de mai sus poate fi produsa de mai multe cauze dintre care mentionam,

neliniaritatea circuitului de transmisiune, inerenta în cazul emitatoarelor de televiziune, care poate altera

semnalul.

În general acest tip de distorsiuni sunt provocate de elemente de circuit caracterizate printr-o caracteristica

de transfer liniara si nu depind de componenta medie a semnalului de TV, de amplitudinea sau de pozitia

semnalelor de test (masura) utilizate în scopul determinarii lor.

Totusi, numai cu ajutorul caracteristicii de amplitudine-frecventa nu se pot aprecia distorsiunile

semnalului introduse de lantul video, ci trebuie sa se cunoasca si defazarea introdusa de acest lant pentru

fiecare componenta din spectrul de frecvente al semnalului transmis.

B) Distorsiuni de faza

Distorsiunile de faza apar simultan cu cele de amplitudine. La frecventa la care se admite o atenuare de 3 dB

a semnalului (sau o alta valoare mai mica, la frecventa limita, spre capatul benzii de trecere), defazajul

introdus de retea este foarte important.

La o variatie liniara a marimii defazarii armonicelor spectrului semnalului transmis, în functie de frecventa

φ(ω) = τω (daca toate armonicele au acelasi defazaj), semnalul la iesirea lantului video coincide ca forma cu

cel de la intrare si este decalat cu o marime egala cu timpul τ, denumit timp de întârziere al semnalului. Daca

timpul de întârziere al diferitelor armonice nu este acelasi, semnalul se distorsioneaza. De aceea, uneori, la

aprecierea distorsiunilor de faza se opereaza cu timpul de întârziere al oscilatiilor sinusoidale si variatia

acestui timp în functie de frecventa. Defazajul frecventei ω, egal cu φ(ω) radiani, corespunde cu timpul de

întârziere de grup (TPG) (grupul de frecvente care au aceiasi faza)

Caracteristica TPG (τ) se determina ca derivata caracteristicii de faza φ(ω) în raport cu frecventa: adica ea

arata panta caracteristicii de faza.

7

C) Distorsiunile tranzitorii

Acestea se manifesta pe semnalul care reprezinta raspunsul tranzitoriu al circuitelor. Ele se apreciaza printr-

o serie de parametri, care sunt valabili pentru analiza amplificatoarelor fie la frecvente joase, fie la frecvente

înalte.

Efectul distorsiunilor liniare (amplitudine-frecventa si faza-frecventa) asupra semnalelor de televiziune, se

poate aprecia prin forma pe care o iau diferite semnale care trec printr-un circuit care produce astfel de

distorsiuni. Analiza formelor acestor semnale pe osciloscop, furnizeaza o serie de informatii utile în legatura

cu caracterisicile de amplitudine sau de faza.

Aceste distorsiuni sunt numite curent caracteristica tranzitorie la 50 Hz, sau distorsiuni la frecvente joase.

Ele sunt definite prin modificarea formei semnalului de iesire (dupa demodulare), atunci când la intrare este

aplicat un semnal dreptunghiular periodic având frecventa de repetitie 50 Hz si factorul de umplere ½.

Raspunsul la aceste semnale, în regim stationar si atunci când componenta continua este constanta, se

prezinta de obicei sub forma din figura 24. Parametrul caracteristic este caderea palierului, care se da în

procente.

C.1) Distorsiuni ale impulsurilor cu durata de ordinul unei linii TV.

Este numita curent caracteristica tranzitorie la frecventa liniilor. Se defineste prin modificarea formei

semnalului de iesire (dupa demodulare), atunci când la intrare este aplicat un semnal video cu luminanta în

forma de impulsuri dreptunghiulare cu amplitudinea egala cu amplitudinea nominala si durata de ordinul de

marime al unei linii TV.

C.2) Distorsiuni ale formelor de unda de durate scurte

Este numita curent caracteristica tranzitorie la frecvente înalte sau raspunsul tranzitoriu la frecvente înalte.

Este definita prin modificarea formei semnalului de iesire (dupa demodulare), atunci când la intrare este

aplicat un semnal video continând în domeniul luminantei semnale cu tranzitii (fronturi) rapide, sau un

impuls scurt de forma determinata si amplitudine nominala.

Aprecierea distorsiunilor se face pe baza urmatorilor parametri:

- Durata frontului tf (uneori se specifica durata frontului anterior, ca sa se deosebeasca de durata

frontului posterior al impulsului) sau timpul de crestere, definit între momentele de timp între care semnalul

creste de la amplitudinea de 0,1 la 0,9 din amplitudinea corespunzatoare regimului permanent. Durata

acestui front este determinata în functie de frecventa limita superioara a sistemului de TV respectiv (fc).

- Amplitudinea supracresterii raspunsului (ε).

DISTORSIUNI NELINIARE

8

Distorsiunile neliniare depind în general de amplitudinea semnalului aplicat unui circuit, precum si de

neliniaritatile circuitelor care în diferite regimuri de functionare introduc limitari sau deformari ale

semnalului.

În amplificatoarele de radiofrecventa intervin, ca si în orice lant de transmisiune, elemente care au

caracteristici neliniare. Fie ca referirea se face la caracteristicile unui tranzistor functionând într-un anumit

regim sau clasa de functionare, fie ca se considera caracteristica globala a unui etaj sau lant, de la intrare la

iesire, apar neliniaritati datorate acestor elemente.

Transmisiunea semnalelor video implica atât prezenta unor semnale armonice, cât si a unor semnale sub

forma de impulsuri, structura imaginilor de transmis fiind foarte complicata.

Având în vedere ca o serie de distorsiuni neliniare apar în mod obligatoriu din cauza procedeelor alese

pentru transmisiune (cum ar fi de exemplu cazul transmisiei cu banda laterala reziduala - BLR), este necesar

sa fie luate masuri de corectare cu scopul de a reduce distorsiunile care apar în lantul de transmisie respectiv.

Întrucât semnalele de televiziune au, dupa natura imaginii, o structura care contine si semnale armonice si

dreptunghiulare si sub forma de rampa etc., cel mai bun lucru ar fi, sa se realizeze amplificatoare cu

distorsiuni neliniare mici, care sa nu afecteze forma semnalelor. În practica, pentru ca forma semnalelor la

receptie sa fie cea corecta si controlabila, emitatoarele de TV sunt prevazute cu circuite speciale de corectie

în acest scop.

În prezent neliniaritatea unui circuit de televiziune nu este definita într-un mod simplu si univoc. Aceasta

situatie devine clara daca se are în vedere structura semnalului video care conduce la degradari diferite ale

calitatii imaginii, atunci când neliniaritatea circuitului se manifesta asupra semnalului de sincronizare sau

asupra semnalului de imagine. În plus neliniaritatea circuitului poate afecta diferit semnalele de luminanta si

semnalele de crominanta sau poate provoca influentarea lor reciproca. Din aceasta cauza definirea

caracteristicii de liniaritate se face prin mai multi parametri, numarul acestora fiind limitat la cei care sunt

recunoscuti ca fiind corelati cât mai direct cu calitatea subiectiva a imaginii. De asemenea, la selectionarea

acestor parametri, s-a avut în vedere posibilitatile de evaluare a acestora, urmarind reducerea conditiilor de

masura, obiectiv atât de important în practica de exploatare.

A) Distorsiuni neliniare ale semnalului de luminanta.

Sunt definite prin neproportionalitatea între amplitudinea unui semnal video în forma de rampa (dinte de

fierastrau) sau în trepte egale, aplicat la intrare si amplitudinea corespunzatoare din semnalul de iesire (dupa

demodulare), atunci când nivelul initial al rampei sau treptelor variaza de la nivelul de stingere (negru) pâna

la nivelul de alb.

B) Distorsiuni neliniare ale semnalului de crominanta

9

B.1) Distorsiuni neliniare ale amplitudinii semnalului de crominanta

B.2) Distorsiuni neliniare ale fazei semnalului de crominanta

C) Intermodulatia de la semnalul de luminanta la semnalul de crominanta

C.1) Amplificarea diferentiala

Este definita prin variatia amplitudinii unui semnal de crominanta din semnalul de iesire (dupa demodulare),

atunci când la intrarea video se aplica un semnal de crominanta de amplitudine mica si constanta, suprapus

peste un semnal de luminanta rampa (care variaza de la nivelul de stingere pâna la nivelul de alb),

componenta continua medie a imaginii fiind constanta.

C.2) Faza diferentiala

Definita prin variatia fazei unui semnal de crominanta din semnalul de iesire (dupa demodulare), atunci când

la intrarea video se aplica un semnal de crominanta de amplitudine mica si constanta suprapus peste un

semnal rampa (care variaza de la nivelul de stingere pâna la nivelul de alb), componenta continua medie a

imaginii fiind constanta.

Concluzii:

Dupa trecerea în revista a distorsiunilor care se produc într-un emitator de televiziune, se poate concluziona

ca functionarea în parametri normali ai acestuia, presupune (si aceasta presupunere este de fapt o realitate)

existenta unor circuite de corectie a semnalului video. S-a mai mentionat ca aprecierea distorsiunilor finale,

precum si precorectia lor, se face în aproape toate cazurile, înglobând în schema de masura si

demodulatorul. Rezulta deci ca distorsiunile semnalelor pot fi analizate prin vizualizare pe osciloscop sau,

pe aparate de masura specializate, care dupa analiza semnalului afiseaza pe un display atât semnalul în

forma sa cât si rezultatele valorice ale distorsiunilor. Analiza distorsiunilor de amplitudine-frecventa în RF

se face pe ansamblu emitator "culegând" semnalul de la o sonda RF si aplicându-l unui analizor de de

spectru.

10

11