Джакония В.Е., Гоголь А.А., Друзин Я.В. Телевидение (4-е издание, 2007) (1143036), страница 20
Текст из файла (страница 20)
Наиболее распространенный способ кодирования ТВ сигнала — представление его дискретных и проквантованных отсчетов в натуральном двоичном коде. Этот способ получил название импульсно-кодовой модуляции (ИКМ). На рис. 5 1,г показан результат преобразования фрагмента исходного сигнала и(1) в последовательность комбинаций двоичного трехразрядного кода. Часто всю совокупность перечисленных операций — дискретизации, квантования и кодирования для краткости называют кодированием телевизионного сигнала. Это имеет определенные технические основания, поскольку все эти три операции выполняются одним техническим устройством — впалого-цифровым преобразоватслслг (АЦП).
Обратное преобразование цифрового сигнала в аналоговый производится в устройстве, называемом цифра-аналоговым пргобразователелг (ЦАП). Аналого-цифровые и цифра-аналоговые преобразователи — непременные блоки любых цифровых систем передачи, хранения и обработки изображений. Исследования ИКМ в телевидении начались сравнительно давно.
Первые предложения относятся еще к 30-м годам. Но только недавно этот метод стал применяться в вещательном телевидении. Причина столь длительного внедрения объясняется жесткими требованиями к быстродействию устройств преобразования и передачи цифрового сигнала. Чтобы пояснить это, оценим скорость передачи цифрового потока ИКМ сигнала по каналу связи. При непосредственном кодировании телевизионного сигнала методом ИКМ кодовые комбинации создаются с частотой, равной частоте отсчетов, т.е. частоте дискретизации.
Каждая кодовая комбинация соответствует определенному отсчету и 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 1,, и числа двоичных символов й в одном дискретном отсчете: (5.2) с = (л)г. Для количественной оценки скорости передачи ИКМ сигнала необходимо обосновать выбор й и (л.
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 18 т. Выбор числа уровней квантования определяется требованием к мнппмизацгги ошябок (ошпбок квантования), возникающих из-за за- ЧАСТЫ. Физические основы телевидения мены истинных значений отсчетов сигнала их квантованными 1приближенными) значениями.
Ошибки квантования носят случайный характер Поэтому искажения, вызываемые этими ошибками, часто называют шумами квантовантся. На изобрюкепии они могут проявляться по-разному, в зависимости от свойства кодируемого сигнала. Если собственные шумы аналогового сипила невелики по сравнению с шагом квантования, то шумы квантования проявляются на изображении в виде ложных контуров. Такие искажения хорошо заметны прн «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 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 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 десятиразрядной шкалы квантования, предусматривающей квантование соответственно на 1024 уровня.
Хотя еще несколько лет назад считалось вполне удовлетворительным квантование на 256 уровней (восьмиразрядной 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 о а 64 «с о 235 ее Ф а Ет а 16 Ек о 0 а1 Рнс. 5.2. Соотеетствне размаха яркостного товання а — восьмяразрядная шкала; б— аналогового сигнала шкале кван- десятнраарядная шкала 89 ГЛАВА 5. Основы цифрового телевидения тования для восьми- и десятиразрядной шкалы.
В восьмиразряд- ноИ шкале сигналу отводится 220 уровней квантования (с 1б-го, соответствующего уровню черного, по 235-И, соответствующиИ белому). В десятиразрядноИ шкале яркостный сигнал квантуется на 877 уровней (64-И соответствует уровню черного, а 940-И вЂ” уровню белого). Из неиспользуемых уровней одна часть резервируется для цис)еровых синхронизирующих сигналов, другая — представляет собой рабочий запас на возможные в процессе преобразования аналогового сигнала превышения им допустимого диапазона значений. Подобные случаи для аналоговой техники весьма вероятны, а связанные с этим перегрузки аналогово-цифровых преобразователеИ приводили бы к заметным неустранимым искажениям в изображении.
Рассмотрим теперь факторы, определяющие выбор частоты дискретизации. Дискретизация — первая операция из всего комплекса преобразований аналогового сигнала в цифровой. Исходный сигнал и(1) после дискретизации можно представить в виде суммы: и(пТ) = ~ ~и(1)б(à — пТ), (5.4) где б — дельта-функция; Т вЂ” период дискретизации. Если (5.4) подвергнуть преобразованию Фурье, то (5. 5) гДе 5()) и о'(уд) — спектРы исхоДной и ДискРЕтизиРованной фУнкций соответственно (15].
Из (5.5) следует, что спектр дискретизированпого сигнала представляет собой сумму исходного спектра (и = О) и «побочных» или дополнительных спектров того зке вида, но сдвинутых один относительно дРУгого на уд, 27д,...и тд. (Рис. 5.3). Из РисУнка видно, что с помощью идеального фильтра нижних частот (ФНЧ) с частотоИ сРеза 7гРНЧ можно выДелить СпектР исхОДного сигнала, если выполняются условия: 1) уд ~ )27гр' 2) угр ~(,(Фнч ~ ~7в )гр. Если же частота отсчетов выбРана из УсловиЯ уд ( 27"„р, 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, равной б МГц, частота дискретизации должна быть выбрана не менее 12 МГц. Учитывая невозможность создания фильтра нижних частот с прямоугольной АЧХ, эта цифра догпкна быть несколько увеличена. На выбор частоты дискретизации влияют также следующие обстоятельства. 1Лзобрюкевие, подвергнутое кодированию, представляет собоИ совокупность отсчетов (пикселей), структура которых за- п0 т4АСТЫ.
Физические основы телевидения 2Уд У о Ап У У УгаУФнч Уз Рнс. 5.3. Спектр сигнала после дискрети- зации Рис. 5.4. Перекрытие спектров при Уз < 2/,р Строки изображения Рис. 5.5. Ортогональная з структура дискретизации с = 10 13,5 = 135 Мбит/с. А если учесть, что кроме сигнала яркости должна быть передана информация о цвете, то общиИ цифровоИ поток, формируемыИ по ьнтпду ИКЛЛ, удвоится' н будет равен 270 Мбит/с.
Столь высоким 01 нч1)гнггИгтвнем дола!ены обладать как устройства преобразования ТП гн пила, та| н каналы связи. Очевидно, нельзя считать экономии гк и цглссообразноИ передачу такого большого цнг)тревоге потока по ьпнп пны связи. Важной задачеИ для построения более экономичных 'Пг гпстгм является сжатие илн компрессия ТВ сообщения. 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 нз 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 сипгала для Ус = 10 н /л — — 13,.5 МГц: ГЛАВА 5. Основы цифрового телевидения 5.1.2. Компрессия Резервы для уменьшения цифрового потока без ущерба качеству воспроизводимого изобра-кения заключены в специфике ТВ сигнала, обладщощего, как показывают исследования, значительной информационной избыточностью. Эту избыточность обычно разделяют на статистическую, физиологическую и структурную.
Сгпагпистиическая избыточность определяется свойствами изображения, которое не является в общем случае хаотическим распределением яркости, а описывается законами, устанавливающими определенные связи (корреляцию) как ме'кду 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 же 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. Визуальнал или физиологическая избьгточность 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. Струкгпурыая избыточноспгь в соответствии с названием определяется структурой видеосигнала: наличием в аналоговом телевизионном сигнале гасящих импульсов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
