Джакония В.Е. и др. Телевидение (2-е изд., 2002) (1143030), страница 21

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 21)

Нетрудно доказать, что средиеквадратическая ошибка квантования будет минимальна, если пороги квантования располагаются посередине между уровнями квантования. Ошибки квантования, называемые также шумами квантования, на изображении могут проявляться по-разному, в зависимости от свойства кодируемого сигнала. Если собственные шумы аналогового сигнала невелики по сравнению с шагом квантования, то шумы кваитоваиия проявляются на изображении в виде ложных контуров. Такие искаженна хорошо заметны при "грубом" квантовании, когда число уровней квантования недостаточно.

В этом случает плавные яркостные переходы превращаются в ступенчатые и качество иэображения ухудшается. Наиболее заметны ложные контуры на изображениях с крупными планами. Этот эффект усугубляется на подвижных изображениях. Эксперименты показывают, что ложные контуры перестают восприниматься, если число уровней квантования превышает 100...200, т е. шум квантования не превышает 05...1 ~~~ размаха сигнала.

Эти данные хорошо согласуются с понятиямн о контрастной чувствительности зрения, рассмотренными в предыдущих главах, и выбором разрядности кодовой комбинации для передачи цифрового сигнала, сделанным в В 5.1. Действительно, семи- илн восьмиразрядному коду соответствует квантование на 128 или 256 уровней соответственно, что превышает полученный экспериментальным путем необходимый минимум числа градаций, прн котором отсутствуют ложные контуры в изображении. Выше было рассмотрено влияние шумов квантования на качество изображения в условиях, когда собственные шумы в аналоговом сигнале невелики.

Когда же они превышают шаг квантования, искажения квантования проявляются уже не как ложные контуры, а как шумы, равномерно распределенные по спектру. Флуктуационные помехи исходного сигнала как бы подчеркиваются, изображение в целом начинает казаться более зашумленным. Недостаточное число уроаней квантования особенно неприятно сказывается на цветных изображениях. Шумы квантования проявляются в виде цветных узоров, особенно заметных на таких сюжетах, как лицо крупным планом, на плавных перепадах яркости и т.д.

Сократить цифровой поток телевизионного сигнала можно путем применения нелинейной шкалы квантования. Как известно, по закону Вебера-Фехнера ощущение приращения яркости от Е, до Е пропорционально логарифму отношения 1 к 1, Поэтому шкала, в которой шаги квантования увеличиваются от нижней части к верхней, более соответствует природе зрения. Эксперимент подтверждает, что применение логарифмической шкалы квантования позволяет уменьшить число уровней квантованйя вдвое по сравнению с линейной шкалой без ущерба качеству изображения, т.е. уменьшить на один разряд кодовую группу при ЙКМ.

Иными словами, квантование на 2'уровней по логарифмическому закону дает изображение того же качества, что и квантование на 2' уровней при равномерной шкале. Равномерная шкала оказывается более избыточной относительно логарифмической. Сокращения цифрового потока можно достичь, используя и другие особенности зрения. При оценке необходимого числа уровней квантования сигнала яркости в расчет принималось значение порогового контраста 6 = 0,02 ...

0,05. Однако этн данные справедливы только для крупных деталей. В общем случае пороговый контраст существенно зависит от размера наблюдаемого объекта. Для объектов, угловые размеры которых примерно несколько минут, пороговый контраст возрастает в десятки раз и приближается к единице; маленькое пятно становится заметным, когда его яркость превышает фон на величину, сравнимую с яркостью самого фона. Это означает.

что небольшие детали в изображении, места резких перепадов яркости можно квантовать на значительно меньшее число уровней, чем крупные участки изображения с постоянной или плавно меняющейся яркостью. В этой особенности зрительного восприятия, как и в факторе наличия сильных корреляционных связей между элементами изображения, кроется большой резерв по сокращению числа уровней квантования, реализация которых, однако, методамн ИКМ невозможна.

Должны быть применены более эффективные приемы кодирования сигнала, рассматриваемые в одном из последующих параграфов главы. зль циФРОВОе коднРОВАниетелевизионного сиГнАлА Общие сведения. Заключительной операцией в преобразовании аналогового сигнала в цифровой является кодирование квантованиых отсчетов ввиде последовательности импульсов. Чаще всего эта последовательность реализуется в двоичной форме, где т уровням квантования входной видеоинформации соответствует А =!од,щ кодовых импульсов. Как уже отмечалось, такой метод кодирования получил название импульсно-кодовой модуляции. Он стал классическим и универсальным методом, применяемым при обработке и передаче видеоинформации. К достоинствам ИКМ следует отнести универсальность двоичной формы предстаиления, используемой для всех операций над ТВ сигналамн, низкую чувствительность к шумам, интерференционным помехам н искажениям, связанным с передачей и записью сигналов, а также простоту восстановления цифрового сигнала путем регенерации его формы.

Однако с точки зрения скорости передачи ИКМ недостаточно эффективна, так как ее практическое применение связано с необходимостью обеспечения высоких скоростей передачи. Объясняется это тем, что импульсно-кодовой модуляции в телевидении присуща значительная избыточность в передаваемой информации. Ведь несмотря на равновероятность любых из возможных уровней яркости (цветности) для одного элемента изображения, содержание соседствующих с ним элементов мало отличается или не отличается вовсе.

Статистический анализ телевизионного изображения устанавливает сильные корреляционные связи между соседнимн элементами. При поэлементной передаче яркости нли цветиости изображения, присущей методу ИКМ, в канал, таким образом, посылается одна н та же илн мало отличающаяся по содержанию информация. В настоящее время существует много приемов по сокращению избыточности телевизионного сигнала. Эти приемы связаны с более эффективным кодированием по сравнению с ИКМ. Весьма условно нх можно разделить на три класса: кодирование ТВ сигнала с предсказанием, групповое кодирование с преобразованием и адаптивное групповое кодирование. Пока не выработалась твердая позиция о перспективности того илн нного кодирования.

Кроме того, сами методы эффективного кодирования порой очень сильно переплетаются друг с другом. Поэтому целесообразно рассмотреть все три принципа кодирования. Кодированиеспредсказанием. Какужеотмечалось,наличиесильных корреляционных связей между близко расположенными элементами изображения определяет нецелесообразность передачи полной информации о каждом элементе. Можно ограничиться передачей отсчета одного элемента, а остальные элементы, используя статистические законы, предсказать, т.е.

вычислить с помощью специальных технических устройств на приемном конце системы. Однако, как бы ни был совершенен аппарат, определяющий статистические связи в изображении, предсказание элементов по предыдущему отсчету или их совокупности всегда будет нести ошибку, обусловленную случайным характером распределения в изображении яркости и цветности. Эта ошибка должна быть для каждого элемента изображения учтена, скорректирована. Только при этом условии на приемном конце системы будет воссоздано изображение, соответствующее оригиналу. Отсюда вытекает принцип кодирования сигнала с предсказанием: передача в каждом отсчете не истинного значения элемента, а кодн- йяЬрующая яяснь х(яяпйррхтатя ткать Ряс.

йэ. Структурная схема системы с предсказвкмем рованной разности между истинным значением н предсказанным, называемой ошибкой предсказания. Логично ожидать, что в сигнале ошибки содержится меньший объем информации, чем в полном отсчете. Чтобы сформировать сигнал ошибки е(пТ), на передающем конце системы устанавливаются устройство предсказания, такое же, как н на приемном конце, и вычитающий каскад. На рис.5.9 вместо последнего изображено суммирующее устройство, на входы которого подаются истинное значение отсчета и(пТ) и его приближенно предсказанное значение и(пТ) со знаком "минус". Сигнал ошибки е(пТ), содержащий вобщем случае меньший объем информации по сравнению с сигналом и(п Т), будучи принят иа другом конце системы, складывается в суммирующем устройстве с предсказываемым значением и(пТ). В результате на приемном конце восстанавливается истнмное значение сигнала и(пТ). Из принципа работы системы с предсказанием следует, что чем точнее предсказывается сигнал и(пТ), тем меньше диапазон изменения сигнала ошибки е(пТ), тем меньшим числом бнт может быть он передан, а значит, кодирование будет с этих позиций более эффективным.

В простейшем случае в качестве предсказанного значения можно использовать значение предыдущего отсчета. Тогда "предсказатель" реализуется в виде задержки сигнала на время передачи одного элемента нзображеимя.' Указанный прием предсказания на первый взгляд не дает сокращения избыточности. Ведь сигнал ошибки е(пТ) прнтаком предсказании можетприниматьлюбыезначеимя,вплотьдо максимальных амплитуд самого сигнала и(пТ),да еще при этом меняя знак (разность между и(пТ) и и(пТ) может быть положительной и отрицательной).

Однако, несмотря иа увеличенный динамический диапазон, сигнал ошибки распределяется внутри него не равновероятно. Вероятность его распределения аппрокснмируется экспоненцмальной функцией с максимумом вероятности вокруг нуля и быстрым спадом вероятности для значений, отличных от него. едовательно, сигнал ошибки с достаточно высокой достоверностью может быть проквантован значительно меньшим числом уровней, чем исходный отсчет. Это и обеспечивает экономию в объеме передаваемой информации. Конечно, данный прием дает хорошие результаты лишь в средне- статистическом смысле, т.е.

Характеристики

Список файлов книги