Джакония В.Е. и др. Телевидение (2-е изд., 2002) (1143030), страница 20
Текст из файла (страница 20)
В изображениях существуют значительные статистические связи, к которым в результате эволюционного развития при- 84 Рнс. 5.5. Ортогоиальиан структура дис- кретнзапии Рнс. 5,5. К определению разрешакинеа способности снстеиы с ортогоналыюа структурой днскретнзапни , способился наш зрительный аппарат.
В частности, установлено (!9), что зрительный анализатор содержит совокупности рецепторов (рецептивные поля), кодирующие одновременно большие группы элементов изображения, реагируя при этом ие столько на их яркость, сколько иа форму, выделяя нз фона изображения наиболее его информативную часть: контуры, перепады яркости. Важно заметить, что такие свойства зрительного аппарата позволяют ему восстановить , целостные контуры даже прн их распаде на отдельные элементы вследствие дискретизации нлн из-за действия случайных помех.
Эти свойства зрительного анализатора позволяют допустить, что в ТВ системе не обязательно обеспечивать условия для передачи каждого из элементов изображения. Можно удовлетвориться передачей определенного ансамбля конфигураций, при этом с пониженным (по отношению к стандартному) числом элементов. Оценим с таких позиций возможности ортогональной структуры отсчетов прн получении изображения. Для этого нанесем на ней самые элементарные конфигурации: вертикальные, горизонтальные н наклонные линии, представляющие собой детали некоего ТВ изображения (рис.5.6).
Условимся, что минимальное расстояние между соседними контурами, расположенными яо вертикали или горизонтали (линни г' и 2 или б н б на рис.$.6), равно шагу дискретизации — расстоянию между соседними отсчетами. Из рисунка видно, что наклонные контуры, ориентированные по диагонали (линии 8, е), содержат меньшее число элементов на одном и том же участке по сравнению с вертикальными и горизонтальными линиями. Тем не менее глаз благодаря развитой системе нейронов их объединяет в общие диагональные линии.
Этн линии не распадаются на отдельные элементы, а воспринимаются слитно. Обратим внимание также иа следующее. При ортогональной структуре отсчетов расстояние между наклонными линиями меньше, чем между вертикальными и горизонтальными в )~2 раз, т.е. ортогональная структура отсчетов обеспечивает в диагональных направлениях большую разрешающую способность по сравнению с горизонтальным и вертикальным направлениями. В этом обнаруживается несовершенство ортогональной структуры дискретизации. Известно, что разрешающая способность зрения анизотропна, т.е. неодинакова в различных направлениях. Она максимальна вдоль вертикальной и горизонтальной осей, примерно в 1,5 раза превышая разрешающую способность в диагональных направлениях.
В этом проявляется адаптация зрения к статистике изображений, в которых преобладают перепады яркости в вертикальных и горизонтальных направлениях. Таким образом, ортогональная структура дискретизации изображения с шагом дискретизации, удовлетворяющим условиям теоремы Котельникова, характеризуется заметной избыточностью в разрешающей способности системы по диагональным направлениям. Устранить эту избыточность путем уменьшения числа отсчетов (т.е. уменьшая частоту дискретизации) нельзя, так как при этом ухудшится четкость иэображения и самых важных направлениях по горизонтали и вертикали.
Рассмотрим другую, более совершенную с этих позиций структуру дискретизации. Шахматная структура дискретизации. Зададимся, как и в предыдушем случае, числом отсчетов в изображении, соответствующим частоте дискретизации 7„= 27 . Тогда каждому элементу изображения, как и раньше, будет соответствовать определенный отсчет. Если расположить эти отсчеты таким образом, чтобы в соседних строках они были смещены друг относительно друга на половину шага дискретизации (половину размера одного элемента изображения) И/2, то будет образована структура отсчетов, называемая шахматной(рис.5.7).
Нанесем на этой структуре простейшие конфигурации изображения из 1/г Рнс. 5.7. й ооредеаенню разрешающей соосойностн снесены с шахматной структурой кнскретнзацнн горизонтальных, вертикальных и наклонных линий. Оценим качество их воспроизведения и минимально возможные расстояния между ними. Горизонтальные линии 5 и 6 воспроизводятся, как и при ортогональнойй структуре дискретизации, с той же детальностью, т е. состоят из такого же числа отдельных элементов изображения.
Минимальное расстояние между ними также не изменилось. Оно равно расстоянию между соседними строками, т.е. шагу дискретизации с(. Таким образом, разрешающая способность системы в вертикальном направлении сохранилась прежней. Вертикальные линии 7 и 8 воспроизводятся теперь в виде более грубой структуры, содержащей в 2 раза меньшее число элементов.
Однако, как показывает эксперимент, зрительно на качестве воспроизведения вертикальных контуров это почти не сказывается. Зато очень существенно увеличилась разрешающая способность системы по горизонтали. Она характеризуется при шахматной структуре дискретизации в 2 раза меньшим расстоянием между двумя соседними вертикальными линиями с(/2. В диагональных направлениях (линии 8 и 4) интервалы между контурами примерно в 1,8 раза больше, чем в горизонтальном направлении.
Но именно в этих направлениях существенно ниже и разрешающая способность зрения. Шахматная структура дискретизации оказывается лучше согласована с особенностями зрительного аппарата н позволяет за счет понижения разрешающей способности в направлениях, где это не скажется заметно на восприятии, понизить общее число отсчетов в кадре, т.е. уменьшить частоту дискретизации, Нагюмним, что уменьшение частоты дискретизации ниже 27 приводит к перекрытию основного и побочного спектров дискретного сигнала (см.рис.5.4), а значит, к невозможности в общем случае безыскаженного восстановления исходного сигнала. Однако шахматная структура дискретизации при определенных условиях позволяет в значительной степени избавиться от помех, связанных с перекрытием основного н побочного спектров.
Чтобы понять механизм устранения помех при перекрытии спектров в шахматной структуре отсчетов, обратимся к глЛ, где описан дискретный спектр ТВ сигнала. Он состоит из гармоник, кратных частоте строк, около которых группируются узкие полосы боковых частот, обусловленные кадровой разверткой н перемещением деталей изображения. На участке спектра соответствующих гармоник строчной частоты сосредоточены максимумы энергии сигнала,' а посередине между ними — минимумы. В зависимости от содержания изображения отношение максимума к минимуму лежит в пределах 2...35дБ. Аналогичную структуру имеет спектр и побочных продуктов дискретизации.
Поэтому если частота дискретизации ТВ сигнала кратна полустрочной частоте, то энергия мешающих составляющих сосредоточивается в зоне минимума энергии исходного сигнала. На рис.5.8 сплошными линиями показано распределение максимумов энергии З7 'д ххгр Рвс. ВЗ. Перекрытие освоваого и побочиого спектров пра шахматной структуре диск- ретааапав сигнала основного спектра, а штриховыми — побочного. С помощью гребенчатого фильтра удаляются мешающие составляющие в диапазоне от (уа — 1 ) до ) . Гребенчатый фильтр должен быть рассчитан таким образом. чтобы иметь максимальное затухание на мешающих частотах и минимальное затухание на частотах полезных составляющих.
При ортогональной дискретизации максимумы энергии составляющих основного и побочного спектров накладываются друг на друга, что делает невозможным разделение их с помощью гребенчатого фильтра. Таким образом„шахматная структура дискретизации отсчетов позволяет без существенного ущерба качеству изображения снизить минимально допустимую частоту дискретизации с ! 2 МГц (при ортогональной структуре) до 8...8,5 М Гц и соответственно и ропорционально уменьшить цифровой поток ТВ сигнала. В этом ее главное достоинство.
Шахматная структура дискретизации, конечно, не свободна от помех, которые могут проявляться в виде эазубренности границ перепадов яркости и муаров. Однако в настовщее время разработаны способы временной и пространственной фильтрации, сводящие эти помехи к минимуму. ээ. КВАНТОВАНИЕТЕЛЕВИЗНОННОГО СИГНАЛА Полученные после дискретизации исходного сигнала и(1)отсчеты и(лТ) могут принимать произвольные значения в пределах своего динамического диапазона.
Как следует из определения, данного в э 5.1, в результате операции квантования должна быть произведена замена всех возможных значений и(лТ) рядом разрешенных значений, названных уровнями квантования(см.рис.5.1,б). Посвоемусмыслуоперация квантования, таким образом, обязательно предполагает появление ошибки мемеду истинным значением сигнала и(1) и его вз кваитованным приближением и (лТ). Эта ошибка Ь = и(лТ) — и ~лТ) называется ошибкой квантования. Ошибка Ь в существенной степени зависит от того, до какого из двух ближайших уровней квантования (верхнего илн нижнего) округляется истинное значение сигнала.
Устройство квантования сделает выбор между этими двумя уровнями путем сравнения истинного значения квантуемого сигнала с выбранными порогами квантования. Если истинное значение меньше некоторого уровня, называемого порогом квантования, то оно округляется до ближайшего уровня квантования, расположенного ниже данного порога (см.рис.5.1,в).
Таким образом, от того„как расположены пороги квантования внутри шкалы квантования, образованной ее уровнями, будет зависеть максимальная ошибка квантования. Например, если пороги квантования совместить с уровнями квантования, то ошибка квантования может быть равна разности между двумя этими уровнями, т.е. шагу квантования.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
