Джакония В.Е. Телевидение (4-е изд., 2007) (1143033), страница 21
Текст из файла (страница 21)
частоте дискретизации. Каждая кодовая комбинация соответствует определенному отсчету н содержит некоторое число й двоичных символов (битов). Скоростью цифрового потока с называется число передаваемых двоичных знаков в единицу времени. За единицу скорости принимается 1 бит в секунду. Таким образом, скорость передачи ТВ сигнала в цифровой форме рйвна произведению частоты дискретизации )я и числа двоичных символов й в одном дискретном отсчете: (5.2) с = фя)с.
Для количественной оценки скорости передачи ИКМ сигнала необходимо обосновать выбор й н ф . Число двоичных символов й в кодовой комбинации одного отсчета связано с числом уровней квантования т исходного сигнала соотношением (5.3) й = 1ойг т = 3, 3 1к та. Выбор числа уровней квантования определяется требованием к минимизации ошибок (ошпбок квантования), возникающих нз-за за- 'ЧАСТЫ. Физические основы телевидения мены истинных значений отсчетов сигнала их квантованными 1приближенными) значениями. Ошибки квантования носят случайный характер Поэтому искаясения, вызываемые этими ошибками, часто называют шумами квантования. На изображении они могут проявляться по-разному, в зависимости от свойства кодируемого сигнала.
Если собственные шумы аналогового сипгала невелики по сравнению с шагом квантования, то шумы квантования проявляются на изображении в виде ложных контуров. Такие искажения хорошо заметны при «грубом» квантовании, когда число уровней квантования недостаточно.
В этом случае плавные яркостные переходы превращаются в ступенчатые. 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 0,5...1 % размаха сигнала. Эти данные хорошо согласуются с понятиями о контрастной чувствительности зрения.
Если собственные шумы аналогового сигнала достаточно велики и превышают шаг квантования, то искажения квантования проявляются уже не как лоакиые контуры, а как шумы, равномерно распределенные по спектру. Флуктуационные помехи исходного сигнала как бы подчеркиваются, изображение в целом начинает казаться более зашумленным. Недостаточное число уровней 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 пр.
В настоящее время рекомендуется использование линейной десятирвзрядной шкалы квантования, предусматривающей квантование соответственно на 1024 уровня. Хотя егце несколько лет назад считалось вполне удовлетворительным квантование на 256 уровней 1восьмиразрядной шкалой). На рис. 5.2 приведены диаграммы, дающие представление о соответствии между аналоговым сигналом яркости Ек и уровнями кван- 1,0 255 1,0 1024 940 ш 235 вь Ф о Ех а 16 е о а ь го 64 0 0 о о в1 б) Рнс. 5.2.
Соответствие размаха яркостного тоеаняя а — восьмяразрядная шкала; б— аналогового сигнала шкале кван- десятяразрядная шкала ГЛАВА 5. Основы цифрового телевидения тования для восьми- и десятиразрядпой шкалы. В восьмиразрядной шкале сигналу отводится 220 уровней квантования (с 1б-го, соответствующего уровню черного, по 235-И, соответствующий белому). В десятиразрядноИ шкале яркостныИ сигнал квантуется на 877 уровней (64-И соответствует уровню черного, а 940-И вЂ” уровню белого).
Из неиспользуемых уровней одна часть резервируется для цифровых синхронизирующих сигналов, другая — представляет собоИ рабочий запас на возможные в процессе преобразования аналогового сигнала превышения им допустимого диапазона значениИ. Подобные случаи для аналоговой техники весьма вероятны, а связанные с этим перегрузки аналогово-цифровых преобразователеИ приводили бы к заметным неустранимым исквлсениям в изображении.
Рассмотрим теперь факторы, определяющие выбор частоты дискретизации. Дискретизация — первая операция из всего комплекса преобразований аналогового сигнала в цифровоИ. Исходный сигнал и(1) после дискретизации можно представить в виде суммы: и(пТ) = ~ ~и(г)б(1 — пТ), (5.4) где б — дельта-функция; Т вЂ” период дискретизации.
Если (5.4) подвергнуть преобразованию Фурье, то (5.5) где 5(7) и Я(Лд) — спектры исходной и дискретизированноИ функций соответственно (15(. Из (5.5) следует, что спектр дпскретизнрованпого сигнала представляет собой сумму исходного спектра (и = О) и «побочных» или дополнительных спектров того же вида, но сдвинутых один относительно другого на Лд, 2Лд,...и тд.
(рис. 5.3). Из рисунка видно, что с помощью идеального фильтра нижних частот (ФНс1) с частотой среза Ланч можно выделить спектр исходного сигнала, если выполняются условня. 1) Лд ~ )2Л.р, '2) Лр ~ (Лфнч ~ (Лд — Лр Если же частота отсчетов выбрана из условия Лд ( 2Лю то после дискретизации побочные спектры будут перекрывать основной (рис.
5.4), и восстановить исходный сигнал без помех невозможно. Таким образом, при полосе частот яркостного сигнала, рав- ноИ б МГц, частота дискретизации должна быть выбрана це менее 12 МГц. Учитывая невозможность создания фильтра пил них частот с прямоугольной АЧХ, эта цифра дол кна быть несколько увеличена. На выбор частоты дискретизации влияют также следующие обстоятельства.
1Лзобрсокение, подвергнутое кодированию, представляет собоИ совокупность отсчетов (пикселеИ), структура которых за- пй ЧАСТЫ. Физические основы телевидения 2Уд 2 О угруФНЧ Л~ Рнс. 5.3. Спектр сигнала после дискрети- зации Рнс. 5.4. Перекрытие спектров при 7 < 27,р Строки изображения Рис. 5.5. Ортогональная з структура дискретизации висит от частоты дискретизации.
Лучшие результаты достигаются при фиксированной относительно телевизионного растра структуре отсчетов, расположенных в узлах прямоугольной решетки — так называемая ортогональная структура дискретизации (рис. 5.5). Для этого необходимо, чтобы частота дискретизации была кратной частоте строк. Кроме того, желательно удовлетворение этому требованию одновременно для двух мировых стандартов разложения; 625/50 и 525/60. Одним из вариантов, отвечающих этим условиям, является частота 13,5 МГц.
В этом случае видимая часть строки изображения для обоих стандартов состоит из 720 пикселей, что примерно соответствует разрешению аналогового вещательного телевидения. Для более высокого формата разрешения частота дискретизации должна быть пропорционально увеличена. Приняв во внимание параметры квантования и дискретизации аналогового телевизионного сигнала, оценим скорость цифрового потока яркостного сигнала для й = 10 и уд — — 13,5 МГц: с = 10 13,5 = 135 Мбит,г'с. А если учесть, что кроме сигнала яркости должна быть передала информация о цвете, то общий цифровой поток, формируемый по ьп толу ИКЛЛ, удвоится' и будет равен 270 Мбит,гс.
Столь высоким бы чргцггйгтвием должны обладать как устройства преобразования ТП попила, так и каналы связи. Очевидно, нельзя считать экономии тки целесообразной передачу такого большого цифрового потока по ьппп ппм спязи. Важной задачей для построения более экономичных 'П1 гпс и м является сжатие или комгтрессия ТВ сообщения. ГЛАВА 5. Основы цифрового телевидения 5.1.2. Компрессия Резервы для уменьшения цифрового потока без ущерба качеству воспроизводимого изображения заключены в специфике ТВ сигнала, обладающего, как показывают исследования, значительной информационной избыточностью.
Эту избыточность обычно разделяют па статистическую, физиологическую и структурную. Статистическая избыточность определяется свойствами изображения, которое не является в общем случае хаотическим распределением яркости, а описывается законами, устанавливающими определенные связи (корреляцию) как между яркостями отдельных элементов, так и между их цветностями, Особенно велика корреляция между соседними (в пространстве и во времени) элементами изображения. Использование корреляционных связей позволяет не передавать многократно одни и те оке данные и сокращать за счет этого объем сообщения. При этом устранение статистической избыточности в ТВ сигнале может происходить без потери информации, и исходные данные будут полностью восстановлены.
Визуальнол или физиологическая избыточность ТВ сигнала обусловливается ограниченностью возможностей зрительного аппарата. Использовать физиологическую избыточность — значит, не передавать в сигнале ту информацию, которая не будет воспринята нашим зрением. Как следствие, устранение физиологической избыточности связано с частичной потерей информации, но той информации, которая не воспринимается зрением, и ее потеря не повлияет на визуальное качество изображения. Структурная избыточность в соответствии с названием определяется структурой видеосигнала: наличием в аналоговом телевизионном сигнале гасящих импульсов. В цифровом потоке соответствующие им временные интервалы можно исключить или использовать для передачи другой информации, например звукового сопровождения. Уменьшение цифрового потока ТВ сигнала за счет сокращения статистической и физиологической избыточности в изображении осуществляется в телевидении применением более эффективных методов кодирования по сравнению с ИКМ.
При большом их многообразии наиболее широко распространены следующие виды эффективного кодирования; кодирование с предсказанием, кодирование с линейным ортогональным преобразованием, взвешенное квантование, энтропийное кодирование или кодирование с переменной длиной. Перечисленные виды кодирования могут использоваться как самостоятельно, так и в сочетании друг с другом, давая в последнем случае значительно больший эффект. Более подробно эти вопросы будут рассмотрены в следующих разделах этой главы. В настоящее время существуют стандарты компрессии, которые определяют основные правила эффективного кодирования и декоди- ч ') ЧАСТЫ.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
