Файл: Этапы развития цифрового телевидения Цифровой телевизионный сигнал.doc
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 09.11.2023
Просмотров: 28
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Цифровой телевизионный сигнал
Цифровой телевизионный сигнал получается из аналогового телевизионного сигнала путём преобразования его в цифровую форму. Это преобразование включает следующие три операции:
1. Дискретизация во времени, т.е. замену непрерывного аналогового сигнала последовательностью его значений в дискретные моменты времени – отсчётов или выборок.
2. Квантование по уровню, заключающееся в округлении значения каждого отсчёта до ближайшего уровня квантования.
3. Кодирование (оцифровку), в результате которого значение отсчёта представляется в виде числа, соответствующего номеру полученного уровня квантования.
Все три операции выполняются в одном узле – аналого-цифровом преобразователе (АЦП). В современной аппаратуре АЦП реализуется в виде одной БИС. На входе АЦП подаются аналоговый сигнал и тактовые импульсы, синхронизирующие моменты выборок. Выходные сигналы образуют параллельный n-разрядный двоичный код, представляющий получающееся в результате аналого-цифрового преобразования число.
Общие принципы построения системы цифрового телевидения.
Системы цифрового телевидения могут быть двух типов. В системах первого типа, полностью цифровых, преобразование передаваемого изображения в цифровой сигнал и обратное преобразование цифрового сигнала в изображение на ТВ экране осуществляются непосредственно преобразователях свет-сигнал и сигнал-свет. Во всех звеньях тракта передачи изображения информация передаётся в цифровой форме. В цифровых ТВ системах второго типа аналоговый ТВ сигнал, получаемый с датчиков, преобразуется в цифровую форму, подвергается всей необходимой обработке, передаче или консервации, а затем снова приобретает аналоговую форму. При этом используются существующие датчики аналоговых ТВ сигналов и преобразователи свет-сигнал в ТВ приёмниках. В этих системах на вход тракта цифрового телевидения поступает аналоговый ТВ сигнал, затем он кодируется, т.е. преобразуется в цифровую форму. Это преобразование представляет собой комплекс операций, наиболее существенными из которых являются дискретизация, квантование и непосредственно кодирование.
Строго говоря, дискретизированный и квантованный ТВ сигнал уже является цифровым. Однако цифровой сигнал в такой форме по помехозащищённости мало выигрывает по сравнению с аналоговым, особенно при большом числе уровней квантования. Для увеличения помехозащищённости сигнала его лучше всего преобразовать в двоичную форму, т.е. каждое значение уровня сигнала записать в двоичной системе счисления. При этом номер (значение уровня квантования) будет преобразован в кодовую комбинацию символов «0» или «1». В этом и состоит третья, заключительная операция кодирования. Данный способ преобразования получил название импульсно-кодовой модуляции (ИКМ).
Дискретизация. Первой операцией процесса цифрового кодирования аналогового ТВ сигнала является его дискретизация, которая представляет собой замену непрерывного аналогового сигнала U(t) последовательностью отдельных во времени отсчётов этого сигнала. Наиболее распространённой формой дискретизации является равномерная дискретизация с постоянным периодом, в основе которой лежит теорема Найквиста-Котельникова. Согласно этой теореме любой непрерывный сигнал U(t), имеющий ограниченный спектр частот, может быть представлен значениями этого сигнала U(tn), взятыми в дискретные моменты времени (отсчёты) tn = nT, где n = 1,2,3,… - целые числа; Т – период или интервал дискретизации, выбранный из условия теоремы Найквиста-Котельникова: T≤ 0,5/fгр. Здесь
fгр – верхняя граничная частота спектра исходного сигнала U(t). (Для отечественного вещательного ТВ стандарта верхняя граничная частота спектра ТВ сигнала fгр ≈ 6,25 МГц). Величина, обратная периоду дискретизации fд , выбранная в соответствии с теоремой Найквиста-Котельникова, равна: fд = 2fгр.
Аналитическое выражение теоремы Найквиста-Котельникова, утверждающей возможность замены непрерывного сигнала U(t) последовательностью дискретных значений U(nT) имеет следующий вид:
∞
U
(t) = ∑ U(nT) sin2πfгр (t – nT)n=−∞ 2πfгр (t – nT)
Ортогональная структура дискретизации. Если частоту дискретизации выбрать кратной частоте строк, то на изображении будет образована ортогональная структура дискретизации, в которой отсчёты располагаются в узлах прямоугольной решётки. Примем, что fд = 2fгр, тогда при этом условии число отсчётов в изображении будет равно числу его условных ТВ элементов. Поэтому сокращение числа отсчётов приведёт к пропорциональному уменьшению разрешающеё способности ТВ системы, т.е. к ухудшению качества изображения.
Для оценки возможностей ортогональной структуры отсчётов при формировании изображений рассмотрим более детально процесс зрительного восприятия. Установлено, что зрительный анализатор содержит совокупность рецепторов (рецептивные поля), кодирующие одновременно большие группы элементов изображения, реагируя при этом не столько на их яркость, сколько на форму, выделяя из фона изображения наиболее его информативную часть: контуры, перепады яркости. Такие свойства зрительного аппарата позволяют ему восстанавливать целостные контуры даже при их распаде на отдельные элементы вследствие дискретизации или из-за воздействия случайных помех. В изображениях существуют значительные статистические связи, к которым в результате эволюционного развития приспособился наш зрительный аппарат.
Эти свойства зрительного анализатора позволяют допустить, что в ТВ системе не обязательно обеспечивать условия для передачи каждого из элементов изображения. Можно удовлетвориться возможностью передачи ТВ системой определённого ансамбля конфигураций, при этом с пониженным (по отношению к стандарту) числом элементов.
Ортогональная структура дискретизации изображения с шагом дискретизации, удовлетворяющим условиям теоремы Найквиста-Котельникова, характеризуется заметной избыточностью в разрешающей способности системы по диагональным направлениям. Устранить эту избыточность путём уменьшения числа отсчётов (т.е. уменьшая частоту дискретизации).
Шахматная структура дискретизации. В строчно-шахматной структуре используется строчное чередование точек, образованное в результате сдвига на половину интервала дискретизации отсчётов соседних строк данного поля. Строчно-шахматную структуру получают двумя путями: либо дискретизируют ТВ сигнал с частотой (2n+1)fz/2 (где n – целое число; fz – частота строчной развёртки), либо частоту дискретизации выбирают равной nfz, но её фаза меняется в начале каждой чётной строки.
Кадрово-шахматная структура образуется путём сдвига отсчётов соседних полей на половину интервала дискретизации. Кадрово-шахматная структура получается дискретизацией ТВ сигнала с частотой, равной либо (nfz+25 Гц), либо nfz с изменением фазы частоты дискретизации в начале каждого чётного поля.
В силу отмеченных недостатков шахматная структура дискретизации, несмотря на свои достоинства, в вещательном телевидении не используется.
Выбор частоты дискретизации ТВ сигнала. В вещании практическое применение получила фиксированная ортогональная структура, отсчёты которой расположены на ТВ экране вдоль вертикальных линий периодично по строкам, полям, кадрам. Позволяя суммировать соседние поля чересстрочного разложения без потери разрешающей способности по горизонтали и вертикали, ортогональная структура дискретизации идеальна для выполнения различных интерполяций в преобразователях стандартов, аппаратуре видеоэффектов, устройств сокращения избыточности информации. Это обстоятельство явилось основным при выборе ортогональной структуры для базового стандарта цифрового кодирования.
Ортогональная структура отсчётов получается при выборе частоты дискретизации, кратной частоте строк. При этом следует учитывать, что в ТВ вещании ещё долго будут использоваться основные стандарты разложения 625/50 и 525/60. В связи с этим параметры цифрового кодирования ТВ сигнала необходимо согласовывать с двумя стандартами разложения. Последнее обусловливает следующее требование: fд должна быть кратна частоте строк систем с разложением на 525 и 625 строк. С другой стороны, эта частота должна быть по возможности низкой, чтобы не увеличивать скорость передачи цифрового потока. Наименьшее кратное двум значениям строчной развёртки fz (625) = 15625 Гц и fz (525) = 15734,266 Гц соответствует значению частоты 2,25 МГц. Поэтому для дискретизации ТВ сигналов подходят частоты 11,25, 13,5 и 15,75 МГц, кратные 2,25 МГц (множители 5, 6 и 7). Из них выбрана частота 13,5 МГц, поскольку это значение является единственным, которое обеспечивает перечисленные выше требования. Оно даёт возможность получить 864 отсчёта в строке с разложением на 625 строк и 858 отсчётов при разложении на 525 строк.
Квантование ТВ сигнала. За процессом дискретизации при преобразования аналогового сигнала в цифровую форму следует процесс квантования. Квантование заключается в округлении полученных после дискретизации мгновенных значений отсчётов до ближайших из набора отдельных фиксированных уровней. Квантование представляет собой дискретизацию ТВ сигнала не во времени, а по уровню сигнала U(t).
Фиксированные уровни, к которым «привязываются» отсчёты, называют уровнями квантования. Разбивая динамический диапазон изменения сигнала U(t) уровнями квантования на отдельные области значений, называемые шагами квантования, образуют шкалу квантования. Следствием этого становится появление в сигнале специфических шумов, называемых шумами квантования. Ошибки квантования или шумы квантования на изображении могут проявляться по-разному, в зависимости от свойств кодируемого сигнала. Если собственные шумы аналогового сигнала невелики по сравнению с шагом квантования, то шумы квантования проявляются на изображении в виде ложных контуров. В этом случае плавные яркостные переходы превращаются в ступенчатые, и качество изображения ухудшается. Наиболее заметны ложные контуры нВ изображениях с крупными планами. Этот эффект углубляется на подвижных изображениях. Когда собственные шумы аналогового сигнала превышают шаг квантования, искажения квантования проявляются уже не как ложные контуры, а как шумы, равномерно, распределённые по спектру. Флуктуационные помехи исходного сигнала как бы подчёркиваются, изображение в целом начинает казаться более зашумлённым.
Обычно используется линейная шкала квантования, при которой размеры зон одинаковы.
Число уровней квантования, необходимое для высококачественного раздельного кодирования составляющих цветового ТВ сигнала, определяется экспериментально. Очевидно, что с ростом этого числа точность передачи уровневой информации возрастает, шумы квантования снижаются, но при этом растёт информационный поток и расширяется необходимая для передачи полоса частот. С другой стороны, при заниженном числе уровней квантования ухудшается качество изображения из-за появления на нём ложных контуров. Кроме того, слишком велики, а потому и заметны шумы квантования. Недостаточное число уровней квантования особенно неприятно сказывается на цветных изображениях. В этом случае шумы квантования проявляются в виде цветных узоров, особенно заметных на таких сюжетах, как лицо крупным планом, на плавных перепадах яркости.
Пороговая чувствительность глаза к перепадам яркости в условиях наблюдения, оптимальных для просмотра ТВ передач, по экспериментальным данным около 1%, а это значит, что два соседних фрагмента изображения, отличающихся по яркости на 1%, воспринимаются как раздельные части изображения. Таким образом, кодирование сигнала яркости с числом уровней квантования меньшим или равным 100 ведёт к появлению на изображении ложных контуров, что заметно ухудшает его качество.
Цифровое телевидение и компьютерные технологии.
Переход к цифровому представлению видеосигналов и сигналов звукового сопровождения и появления методов многократного сжатия данных, рост производительности и объёмов ЗУ персональных компьютеров и рабочих станций при одновременном снижении их стоимости, стремительное развитие Интернет и других сетевых технологий создают предпосылки для широкого применения вычислительной техники в различных частях телевизионных систем. Ниже приведены несколько примеров таких применений.
СИСТЕМЫ НЕЛИНЕЙНОГО МОНТАЖА
Одна из важнейших областей применения компьютеров в телевидении – системы редактирования и монтажа видеоматериалов и подготовки телевизионных программ.
Система нелинейного монтажа содержит один или несколько цифровых видеомагнитофонов (ВМ) для хранения исходных материалов и конечного продукта. Центром системы является высокопроизводительный ПК или рабочая станция (компьютер, по производительности и объёму ЗУ значительно превосходящий обычные ПК), имеющий монитор с экраном, обеспечивающим высококачественное отображение нескольких кадров и различной вспомогательной информации.