Файл: БТВА (окончательная редакция) для печати.docx

Для уменьшения заметности шумов квантования наряду с увеличением числа уровней квантования используют неравномерное квантование. Экспериментальные исследования показали, что неравномерная шкала квантования позволяет уменьшить число уровней квантования вдвое по сравнению с линейной шкалой без ухудшения качества изображения. Это объясняется особенностями восприятия изменений яркости сюжетов зрением человека.

Перед квантованием сигналов их максимальный размах приводят к стандартной величине. Эта операция называется компрессией сигнала. Компрессия сигнала осуществляется, потому что при работе с реальными сюжетами размах сигналов изображения может оказаться довольно большим, значительно превышающим динамический диапазон работы квантователя. Превышение уровня входного сигнала верхней границы динамического диапазона приводит к нелинейным искажениям сигнала, устранить которые в дальнейшем практически невозможно.

Цифровое кодирование телевизионного сигнала.

Заключительной операцией по преобразованию аналогового сигнала в цифровой является операция, называемая кодированием. Цифровое кодирование (оцифровка) – это преобразование дискретного квантованного сигнала в кодовую комбинацию стандартных символов. Наиболее распространённый способ кодирования – представление квантованного отсчёта сигнала в двоичном коде. Группа элементарных символов «1» и «0», передающая значение одного отсчёта, называется кодовым словом.

В цифровых системах передачи информации в качестве элементарного символа «1» полагается импульсный сигнал длительностью, равной тактовому интервалу Т, а в качестве символа «0» – отсутствие сигнала в тактовом интервале. Такой метод кодирования получил название импульсно-кодовой модуляции (ИКМ). Он стал классическим, универсальным и применяется при обработке и передаче информации.

Сигнал ИКМ можно представить либо последовательным, либо параллельным кодом. Последовательный код предполагает поочерёдную передачу разрядов каждого кодового слова по одной цепи или каналу связи, а параллельный – одновременную передачу всех двоичных символов кодового слова, причём, каждый разряд передаётся по своей, отдельной цепи.

Пример сигналов ИКМ в последовательном коде приведён на рис. 10.7.

а)

Рис.10.7. Цифровое кодирование сигнала:

а – дискретный квантованный сигнал; б – цифровой сигнал (сигнал с ИКМ).

При передаче цифрового сигнала последовательным кодом первым передаётся младший разряд кодового слова. Время, затрачиваемое на передачу

кодового слова в последовательном коде, составляет NT , где N – число разрядов кодового слова, Т – длительность тактового интервала.

Время передачи цифрового сигнала в параллельном коде равно длительности тактового интервала.

По каналам связи цифровые сигналы обычно передаются последовательным кодом, а обработка цифрового сигнала в аппаратно-студийном комплексе (АСК) и в цифровом ТВ-приёмнике осуществляется в параллельном коде.

Устройство цифрового кодирования.

В связи с тем, что в области вещательного телевидения до сих пор ещё не существует таких источников ТВ-сигнала, которые формировали бы сигнал в непосредственно цифровой форме, необходимо преобразовывать аналоговые сигналы в цифровую форму.

Цифровые системы в зависимости от вида преобразования аналоговых сигналов в цифровые бывают двух видов:

• Системы с преобразованием ПЦТС в цифровую форму (системы с непосредственным кодированием);

• Системы с преобразованием составляющих ПЦТС в цифровую форму (системы с компонентным кодированием).

Системы первого вида привлекательны тем, что они позволяют перевести аппаратно-студийный комплекс (АСК) на цифровые принципы обработки. Однако при этом возникают определённые трудности при выполнении ряда специальных студийных операций (монтаж видеозаписи, реализация специальных видеоэффектов и т.п.).

В системах с компонентным кодированием осуществляется раздельное цифровое кодирование отдельных составляющих (компонент) ТВ-сигнала.

В качестве компонентных составляющих можно использовать сигналы основных цветов Е_R, Е_G, Е_B или сигнал яркости Е_Y и цветоразностные сигналы Е_RY, Е_BY. Системы этого вида позволяют получить высокое качество изображения (отсутствуют перекрёстные искажения между составляющими ТВ-сигнала, поскольку они обрабатываются раздельно); исключаются проблемы, связанные с преобразованием стандартов цветного телевидения; упрощается режиссёрская обработка сигнала в АСК и т.п.

В настоящее время используются системы с компонентным цифровым кодированием. Компонентное кодирование можно осуществить, подвергая цифровой обработке мультиплексированные (последовательно следующие друг за другом) аналоговые составляющие ТВ-сигнала. В этом случае требуется всего один АЦП, преобразующий поступающие на него компоненты Е_Y (t), E_{R Y}(t), E_{B Y} (t) в цифровую форму. Однако более прогрессивный способ компонентного кодирования основан на параллельной цифровой обработке сигналов основных цветов с последующим формированием мультиплексированного цифрового выходного сигнала Е^_Y, Е^_RY, Е^_{B Y}.

Функциональная схема устройства компонентного цифрового кодирования второго вида показана на рис. 10.8.

Рис.10.8. Функциональная схема устройства компонентного цифрового

кодирования

КУ – кодирующее устройство; АЦП – аналого-цифровой преобразователь;

М – матрица; БЦО – блок цифровой обработки; К – коммутатор;

Мх – мультиплексор.

В состав этого устройства входят кодирующее устройство сигнала изображения (КУ) и мультиплексор (Мх).

Кодирующее устройство имеет три входа, на которые поступают аналоговые сигналы основных цветов Е_R(t), Е_B(t), Е_G(t) из блока камерного канала. Каждый из входных сигналов в АЦП независимо от других преобразуется в цифровой сигнал (Е^_R, Е^_B, Е^_G).

Сформированные цифровые сигналы обрабатываются в блоках цифровой обработки (БЦО). Цифровая реализация операций над сигналами в БЦО в своей основе имитирует соответствующую обработку в аналоговых ТВ-системах. В этих же блоках устраняется информационная избыточность цифрового сигнала.

Матрица (М) служит для формирования цифрового сигнала яркости Е^_Y и двух цветоразностных цифровых сигналов Е^_{R Y} , Е^_{B Y}.

Коммутатор направляет эти сигналы либо в АСК для режиссёрской обработки и видеозаписи, либо в мультиплексор.

Аск (аппаратно-студийный комплекс) –комплекс оборудования для производства тв-передач с использованием сигналов от собственных и внешних источников.

Оборудование АСК выполняет следующие функции:

• формирование сигналов текстовой и графической информации от устройств ТВ-буквопечати, заставок, испытательных таблиц и т.п. (так называемая дополнительная информация);

• обработка видеосигналов от собственных передающих камер;

• создание управляемого режиссёром готового комбинированного изображения из разнообразных источников (видеозапись, телекинопроекторы, собственные ТВ-камеры, внестудийные средства ТВ-вещания) с применением разнообразных художественных эффектов и средств перехода от одного изображения к другому;

• контроль изображений и сигналов;

• формирование звукового сопровождения телепередач;

• синхронизация различных источников ТВ-изображения и приёмно-передающей аппаратуры.

Все операции по обработке сигналов в АСК должны решаться в цифровой форме, без промежуточных АЦП и ЦАП.

Мультиплексор (Мх) объединяет сигналы изображения, звука, дополнительной информации и синхронизации в объединённый (мультиплексированный) ТВ-сигнал в параллельном коде.

10.3. Сжатие видеосигналов

Первичная видеоинформация всегда избыточна. Поэтому преобразование её в цифровой формат приводит к необходимости передачи по каналам связи очень большого объёма информации. Для решения этой задачи требуются каналы связи с очень широкой полосой пропускания. Поэтому при разработке цифровых систем перед специалистами стояла задача сокращения объёма передаваемой информации. Это задача получила название «сжатие» («компрессия») информации.

Самое высокое качество у некомпрессированного цифрового видеосигнала, но для этого необходимо передавать очень большое количество данных (десятки Мб/сек). Эффективное сжатие видеоинформации основано на двух основных идеях:

• подавление несущественных для визуального восприятия мелких деталей пространственного распределения отдельных кадров;

• устранение временной избыточности в последовательности этих кадров.

Соответственно говорят о пространственной и временной компрессии.

Способы сокращения избыточности цифрового сигнала.

При использовании параллельного кода количество разрядов передаваемого слова N определяет число проводов, по которым передаётся цифровой сигнал. При последовательном коде большое количество разрядов кодового слова требует высоких скоростей передачи информации. Скорость передачи информации определяется количеством элементарных символов (бит), передаваемых за 1 секунду. При первоначальной обработке сигнала в АСК используется параллельное кодирование. При этом кодируется вся информация без исключения. Передача информации в таком первоначальном виде, как уже говорилось, требует очень высокой скорости обработки и, кроме того, весьма широкополосного канала связи. Поэтому в цифровом телевидении стремятся по возможности сократить разрядность передаваемых слов. Эта операция носит название «сжатие информации». Однако простое уменьшение разрядности приводит к ухудшению ТВ-изображения и, следовательно, недопустимо.

В настоящее время существует ряд способов по сокращению величины N. Они связаны со специальной обработкой сигнала, называемой кодированием цифрового сигнала.

Под кодированием цифрового сигнала в общем случае понимается замена одной кодовой комбинации новой кодовой комбинацией в соответствии с определёнными правилами с целью решения ряда инженерных задач: сокращение избыточности цифрового сигнала, повышение скрытности и помехозащищённости передачи и т. п.

Одним из способов сокращения избыточности (разрядности) цифрового сигнала является кодирование с предсказанием. Наличие сильных корреляционных* связей между близко расположенными элементами пространственной дискретизации изображения позволяет не передавать полную информацию о каждом элементе.

( * Корреляция – статистическая зависимость между явлениями или процессами. Корреляционная зависимость отличается от функциональной тем, что в ней возможные последствия каких-либо событий могут быть измерены лишь приблизительно. Таким образом, при корреляционной зависимости переменная величина соответствует изменениям другой величины лишь с определённой степенью вероятности, называемой коэффициентом корреляции. Корреляционный анализ применяется в радиоастрономии, радиолокации, гидроакустике, сейсмологии и т.д. при решении задач обнаружения слабых, замаскированных шумами сигналов. Он используется также для определения спектральных характеристик сигналов и выявления их идентичности, что необходимо в ряде исследований, связанных с измерением очень слабых сигналов.)