Файл: БТВА (окончательная редакция) для печати.docx

Можно ограничиться передачей ряда элементов, а остальные элементы предсказать, т.е. вычислить их с помощью специальных технических устройств. Однако предсказание сигнала по предыдущим отсчётам всегда будет нести некоторую ошибку е(nТ). На рис.10.9 показана структурная схема системы передачи цифрового сигнала, использующая метод предсказания.

Рис.10.9. Структурная схема передачи цифрового сигнала, использую-

щая метод предсказания: ПС-1, ПС-2 – предсказатели

Чтобы сформировать сигнал ошибки, на передающем конце системы устанавливается устройство предсказания ПС-1. Чаще всего используются линейные предсказатели. В этом случае предсказанное значение отсчёта U'(nT) определяется как

_L

U'(nT) = Σ a_k ·U{(n – k)T},

k=1

где a_k – постоянные коэффициенты, величина которых определяется

особенностями сигнала U(nT), поступающего на вход преобразова-

теля;

U{(n – k)T} – предыдущие отсчёты сигнала, по которым осуществля-

ется предсказание;

L – количество отсчётов, используемых для предсказания.

Чтобы сформировать сигнал ошибки e(nT), из сигнала U(nT) вычитается предсказанный сигнал U'(nT).

На приёмной стороне имеется предсказатель ПС-2, аналогичный предсказателю ПС-1. Поскольку процедуры предсказания на приёмной и передающей сторонах идентичны, предсказанные отсчёты сигнала U''(nT) могут быть использованы для восстановления значения сигнала, поступающего на вход системы передачи цифрового сигнала. Для этого к вычисленным отсчётам U''(nT) добавляют переданный по каналу связи сигнал ошибки.

В рассмотренной системе предсказания по каналу связи передаётся сигнал ошибки e(nT), который изменяется в значительно меньшем диапазоне по сравнению с сигналом U(nT), а значит, и количество разрядов, необходимое для передачи этого сигнала, оказывается меньшим.

При кодировании с предсказанием вычисляется разность между истинным и предсказанным значением отсчёта. Затем эта разность квантуется по уровню. От точности предсказания зависит среднее число бит, необходимых для передачи разностной информации. Предсказание может быть экстраполяционным. В этом случае (его часто называют «предсказанием вперёд») по предшествующим значениям отсчётов ТВ-сигнала оцениваются последующие отсчёты. Интерполяционное (двунаправленное) предсказание означает, что оценка среднего по положению отсчёта ТВ-сигнала выполняется по известным значениям предшествующих и последующих отсчётов. Такое предсказание наиболее точно оценивает текущие отсчёты. Однако стремление к точности приводит к возрастанию объёма вычислений и, соответственно, памяти, необходимой для реализации этой точности.

Другой способ предсказания – межкадровое «предсказание вперёд». В этом случае текущий отсчёт оценивается по отсчёту с теми же координатами, но предыдущего кадра. Это очень эффективный метод предсказания для неподвижных изображений. Ситуация усложняется, когда изображение содержит движущиеся объекты или изменяется в целом. В этом случае отсчёты, принадлежащие однотипным элементам изображения, от кадра к кадру будут смещаться. Возникает разностная информация, даже если в остальном никаких изменений не происходит. Этот эффект можно ослабить, если ввести компенсацию движения. Для этого необходимо определить векторы перемещения движущихся частей изображения при последовательном переходе от кадра к кадру. Векторы движения позволяют определить положение кодируемого отсчёта в новом кадре (скомпенсировать его перемещение) и, таким образом, сохранить высокую точность предсказания.

Известен ещё один способ сокращения избыточности информации, который носит название кодирования с преобразованием. Он основан на спектральном преобразовании цифрового сигнала.

Известно, что дискретному периодическому сигналу соответствует дискретный периодический спектр (рис.10.10).

Рис.10.10. Спектр периодического сигнала

а – дискретный периодический сигнал; б – спектр дискретного периодического сигнала; Т_С – период следования сигнала; F_Д – частота дискретизации.

Телевизионный сигнал может рассматриваться как квазипериодический с периодом, равным длительности строки Т_С.

Между отсчётами сигнала U(nT) и спектром этого сигнала S(k∆f) существует взаимно-однозначное соответствие. Эта связь устанавливается прямым и обратным преобразованием Фурье. Поэтому вместо отсчётов сигнала по каналу связи можно передать отсчёты дискретных составляющих спектра. Но передавать все составляющие спектра нет необходимости, потому что по составляющим спектра, примыкающим к нулевой частоте, практически можно восстановить весь спектр. Следовательно, по каналу связи достаточно передавать только эти составляющие.

Структурная схема системы передачи цифрового сигнала, использующей этот принцип, изображена на рис.10.11.

Рис.10.11. Структурная схема передачи цифрового сигнала,

использующая метод кодирования с преобразованием:

1 – преобразователь; 2 – селектор; 3 – квантователь и кодер; 4 – канал свя-

зи; 5 – декодер; 6 – блок обратного преобразования.

Преобразователь (1) – осуществляет вычисление спектральных составляющих S(k∆f) дискретного сигнала U(nT).

Селектор (2) – производит фильтрацию спектральных составляющих S(k∆f), значимых для рассматриваемого класса изображения.

Квантователь и кодер (3) – осуществляют квантование и кодирование отфильтрованных спектральных составляющих.

На приёмной стороне после декодирования и обратного преобразования восстанавливается дискретный сигнал U(nT).

Описанная система кодирования позволяет уменьшить число кодовых слов, передаваемых по каналу связи и одновременно с этим уменьшить разрядность этих слов. Это связано с особенностью спектра периодического дискретного сигнала. Во-первых, в этом спектре количество спектральных составляющих на интервале частот 0 ÷ F_Д равно количеству отсчётов сигнала на интервале времени Т_С. А так как составляющие спектра в диапазоне от

F_Д / 2 до F_Д могут быть восстановлены по составляющим спектра интервала частот 0 ÷ F_Д / 2, то количество спектральных составляющих, подлежащих передаче, оказывается в два раза меньше, чем количество отсчётов сигнала на интервале времени Т_С. Во-вторых, наибольшими по уровню оказываются составляющие спектра S(k∆f), расположенные в окрестности нулевой частоты. Эти составляющие в основном определяют дискретный сигнал U(nT). Поэтому составляющие малого уровня могут не передаваться. Для передачи оставшихся составляющих шаг квантования может быть увеличен, т.к. уровень их достаточно велик и, следовательно, разрядность кодового слова можно уменьшить.

В рассмотренных алгоритмах работы предсказателя и преобразователя используются сигналы, полученные в точках пространственной дискретизации, которые расположены вдоль телевизионной строки (рис.10.5). На практике используются более сложные системы кодирования (так называемые двумерные системы). В таких системах операции преобразования и предсказания осуществляются по сигналам, полученным в точках пространственной дискретизации, расположенным внутри небольшой поверхности. Выбор формы поверхности и её размеров зависят от назначения ТВ-системы и характера передаваемого изображения.

10.4. Стандарт сжатия движущихся изображений mpeg-2

В 1988 году для разработки методов сжатия и восстановления цифрового видеосигнала была организована специальная группа экспертов – Motion Pictures Expert Group (MPEG). Результатом исследований этой группы явилось создание международных стандартов для сжатия цифрового телевизионного сигнала, также получивших название MPEG. Специально для кодирования сигналов вещательного телевидения был разработан стандарт MPEG-2. Он позволяет получить высокую чёткость ТВ изображения, обеспечивая 576 активных строк в кадре и 720 отсчетов в активной части строки (горизонтальная четкость). Применение этого стандарта в вещательном телевидении позволяет значительно снизить объём передаваемых в единицу времени видео- и звуковых данных и за счёт этого передавать несколько цифровых программ в полосе частот одного стандартного радиоканала эфирного, кабельного или спутникового телевизионного вещания. Например, в системах спутникового телевизионного вещания сжатие ТВ-сигнала в стандарте MPEG-2 позволяет передавать по одному каналу до пяти цифровых программ, при профессиональном качестве видеосигнала.

Концепция сжатия видеосигналов в MPEG достаточно проста – определить, какая именно информация в потоке повторяется хотя бы в течение какого-то отрезка времени и принять меры к исключению дублирования этой информации. Наиболее ценное достоинство MPEG-кодирования, особенно удобное для передачи по различным сетям, – возможность гибкой настройки качества изображения в зависимости от пропускной способности сети. Это и сделало MPEG-2 фактическим стандартом для приёма/передачи цифрового телевидения по различным сетям.

Невозможно однозначно оценить качество кодирования какими-либо приборами и измерениями. Единственный критерий здесь – способность человека воспринимать сжатую информацию. Поэтому правила сжатия видеоданных при MPEG-кодировании вырабатывались на основе модели восприятия человеком видеоизображений (HVS - Human Visual Sense).

Избыточность изображения, согласно HVS, определяется по трём основным критериям: временная, пространственная и цветовая.

Устранение временной избыточности изображения, учитывающее тот факт, что в пределах коротких интервалов времени большинство фрагментов сцены оказываются неподвижными или незначительно смещаются по полю.    Устранение пространственной избыточности изображения путём подавления мелких деталей сцены, несущественных для визуального восприятия человеком. Устранение цветовой избыточности изображения путём использование более низкого цветового разрешения при YRB-представлении изображений (Y — яркостный сигнал, R и B — цветоразностные сигналы). Опытным путём установлено, что глаз менее чувствителен к пространственным изменениям оттенков цвета по сравнению с изменениями яркости.