История развития телевидения.

Лк.№2. 2ч. Основные характеристики и структуры видеоинформационных и цифровых звуковых сигналов.

Основные характеристики канала связи

Основные характеристики канала связи;

 пропускная способность

 достоверность передачи данных.

Пропускная способность канала оценивается предельным числом бит данных, передаваемых по каналу за единицу времени, и измеряется в бит/с (с^-1).

Достоверность передачи данных характеризуется вероятностью искажения бита, которая для каналов связи без дополнительных средств защиты от ошибок составляет, как правило, 10^-4– 10^-6.

Основная причина искажений – воздействие помех на линию связи и, отчасти, наличие шумов. Помехи носят импульсный характер и имеют тенденцию к группированию – образованию пачек помех, искажающих сразу группу соседних бит в передаваемых данных.

Линии связи. Для передачи данных используются линии связи различных типов: проводные (воздушные),

кабельные,

радиорелейные,

волоконно-оптические

    радиоканалы наземной и спутниковой связи.

Кабельные линии состоят из скрученных пар проводов или коаксиальных кабелей. Основные характеристики линий связи;

 полоса частот,

удельная стоимость

 помехоустойчивость.

 Полоса частот F = f_н - f_в определяет диапазон частот f_н, f_в , где; f_н и f_в – нижняя и верхняя граница частот, эффективно передаваемых по линии.

 Полоса частот зависит от типа линии и ее протяженности.

Для передачи данных используется коротковолновая радиосвязь с диапазоном частот от 3 до 30 МГц.

Помехоустойчивость линии зависит от мощности помех, создаваемых в линии внешней средой или возникающих из-за шумов в самой линии. Наименее помехоустойчивыми являются радиолинии, хорошей помехоустойчивостью обладают кабельные липни и отличной – волоконно-оптические линии, не восприимчивые к электромагнитному излучению.

Амплитудная характеристика представляет собой зависимость величины остаточного затухания от уровня сигнала на входе при постоянной частоте измерительного сигнала, равной 800 Гц. Во избежание больших нелинейных искажений остаточное затухание канала должно оставаться постоянным с точностью до 0,3 дБ при изменении уровня сигнала на входе в пределах от -17,5 до 3,5 дБ.

Коэффициент нелинейных искажений представляет собой отношение эффективного напряжения гармоник, измеренных на выходе канала связи при подаче на его вход гармонического колебания с частотой 800 Гц, к эффективному значению выходного напряжения. Коэффициент нелинейных искажений канала связи на одном переприемном участке по низкой частоте должен быть не более 1,5% .

Амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) канала называется зависимость его остаточного затухания от частоты.

Полосой пропускания канала связи называется область частот, в пределах которой остаточное затухание не превосходит 8,7 дБ остаточного затухания на частоте 800 Гц. Для канала тональной частоты (ТЧ) эта область частот находится в пределах 300...3400 Гц.

Фазо-частотной характеристикой (ФЧХ) канала называется зависимость сдвига фаз между колебаниями на входе и выходе канала от частоты несущего колебания. Если ФЧХ линейна во всем диапазоне частот спектра сигнала, то сигнал будет передаваться без искажений.

Основы построения телекоммуникационных систем и сетей

В. В. Крухмалев, В. Н. Гордиенко, А. Д. Моченов, В. И. Иванов, В. А. Бурдин,

А.В. Крыжановский, Л. А. Марыкова Москва 2004г.

Под редакцией

доктора техн. наук, профессора В.Н. Гордиенко,

канд. техн. наук, профессора В.И. Крухмалева

Стереофоническое вещание.

Рис.№5.

    

 

Блок-схема оцифровки звукового сигнала в АСБ.

Лк. №9. 2ч. Стандарты MPEG

В мае 1988г. была создана специальная группа экспертов по кодированию движущихся изображений и была поставлена задача разработки стандартов кодирования изображения и звука с целью устранения избыточности под названием MPEG - Moving Picture Expert Group.

Общая цель рабочей группы – компрессия, обработка и кодовое представление изображений, звука и их комбинаций.

По существу, представляет собой набор стандартных средств, или точно определенных алгоритмов, которые могут комбинироваться многими способами при реализации аппаратуры цифрового сжатия.

Применение MPEG

MPEG не определяет выбор методов сжатия для кодера. Вместо этого стандарт MPEG точно указывают декодеру, какой смысл приписывать тем или иным сжатым цифровым потокам. Стандарты MPEG не содержат указаний по передаче цифровых потоков, поскольку это определяется конкретным применением. Выбор такого подхода объясняется тем, что он предоставляет большую гибкость при сохранении совместимости. Стандарты MPEG кроме цифрового сжатия видеосигналов охватывают звуковое сопровождение в сжатом виде и мультиплексирование аудио- и видеоданных таким образом, чтобы сохранялась синхронизация.

MPEG-1 и MPEG-2.

Документация MPEG-1 была опубликована первой. В ней описываются стандарты кодирования с малыми цифровыми потоками – до 1,5 Мбит/с. Черезстрочная развертка не поддерживалась, разрешающая способность была ограничена, максимум, до 352´288 отсчетов. Для стереосигналов можно было пользоваться потоками до 192 Кбит/с. Величина цифрового потока была выбрана в основном исходя из значения этого параметра в стандарте компакт- диска, поскольку преследовалась цель использовать MPEG-1 в аудиовизуальных системах, таких как КД-И (интерактивный компакт диск оптический носитель информации в виде диска с отверстием в центре) и КД-ПЗУ. (компакт – диск постоянно запоминающее устройство) Применение стандарта MPEG-1 в телевещании крайне ограничено, и чтобы решить эту проблему, был разработан стандарт MPEG-2. Этот стандарт поддерживает чересстрочную развертку и позволяет кодировать сигналы ТСЧ (телевидение стандартной чёткости) с потоком от 3 до 15 Мбит/с или сигналы ТВЧ (телевидение высокой чёткости ) с потоком от 15 до 30 Мбит/с. Возможности кодирования звуковых сигналов расширены, в частности теперь поддерживается система кругового звука. Стандарта MPEG-2 – представление телевизионного изображения и звука в форме, которая позволяет обращаться с видео и звуковыми потоками, как с потоками, которые могут записываться на самые разнообразные носители информации, передаваться и приниматься с использованием каналов связи и сетей телекоммуникаций, которые существуют сегодня и появятся в будущем.

 Поскольку стандарты MPEG имеют иерархическую структуру, декодер MPEG-2 может декодировать сигналы MPEG-1, но не наоборот.

Достоинства

Высокая эффективность использования радиочастотного спектра.

Более высокое качество принимаемого звукового сигнала, особенно в диапазонах ДВ, СВ и КВ, где ранее применялся метод амплитудной модуляции.

Более надёжный и уверенный приём радиосигналов для мобильных слушателей, например в автомобилях, особенно в диапазоне УКВ, где неприятности доставляют интерференция радиоволн от одного источника из-за их отражения в процессе распространения, а также доплеровский эффект, приводящий к изменению длины волны в зависимости от скорости движения приёмника относительно передатчика.

Возможность передачи дополнительной информации, в том числе видео, графической и текстовой информации.

Недостатки:

Сложность процессов обработки сигналов в радиоприёмнике, что на начальном этапе может отражаться на его стоимости.

В 2012 году ГКРЧ подписан протокол, согласно которому выделяется полоса радиочастот 148,5—283,5 кГц для создания на территории Российской Федерации сетей цифрового радиовещания стандарта DRM^[3]. Также в соответствии с пунктом 5.2 протокола заседания ГКРЧ от 20 января 2009 г. № 09-01 проведена научно-исследовательская работа «Исследование возможности и условий использования цифрового радиовещания стандарта DRM в Российской Федерации в полосе частот 148,5—283,5 кГц».

В России цифровое радио может появиться уже к 2018 году. Таким образом, на неопределённое время вещание в FM-диапазоне будет осуществляться в аналоговом формате.

Возможность охвата вещанием больших территорий (в том числе территории всей России) путем организации одночастотных сетей (то есть сетей, состоящих из передатчиков, работающих в синхронном режиме на одной и той же частоте) или непосредственно вещания с искусственных спутников Земли.

 

Что значит «цифровое» ТВ?

Термин «цифровой» («digital») относится к числу самых употребляемых в современной радиоэлектронике. [\Самый распространенный вид сигнала - это переменное напряжение. На рис. 1.1 показаны фрагменты телевизионного и звукового сигналов.

 

Рис. 1.1.

 

Значение аналогового сигнала, т.е. переменного напряжения в каждый момент времени соответствует значению передаваемой физической величину - яркости изображения на экране телевизора или звуковому давлению, создаваемому громкоговорителем.

 В цифровых радиоэлектронных устройствах и системах сигналы также имеют вид переменных во времени или в пространстве физических величин - напряжений, токов, намагниченностей и т.д. Передаваемая, обрабатываемая или хранимая информация имеет вид последовательности чисел, представляемых значениями используемой для передачи или хранения информации физической величины. Условимся называть цифровым сигналом именно последовательность передаваемых, обрабатываемых или хранимых чисел вида х(k), где k- номер числа в последовательности, т.е. номер элемента или отсчета цифрового сигнала.

Чтобы преобразовать аналоговый сигнал в цифровой, необходимо выполнить следующие три операции:

 дискретизацию во времени, т.е. замену непрерывного аналогового сигнала последовательностью его значений в дискретные моменты времени - отсчетов или выборок;

 квантование по уровню, заключающееся в нахождении для каждого отсчета сигнала ближайшего к нему уровня квантования из используемого набора уровней квантования;

 кодирование (оцифровку), в результате которого номер найденного уровня квантования представляется в виде двоичного числа в параллельной или последовательной ферме.

 Цифровые сигналы, как и аналоговые, характеризуются определенными параметрами, среди которых важнейшую роль играют динамический диапазон и частота. Динамический диапазон цифрового сигнала определяется тем, какое количество двоичных разрядов или битов содержится в каждом числе, и является безразмерной величиной

Можно указать две главные причины этой тенденции в развитии технологии.

Первая причина - это повышение помехоустойчивости, достигаемое в цифровых системах. Как известно, возможность безошибочной передачи информации в первую очередь определяется отношением сигнал/помеха (С/П) в канале связи. Для получения достаточно хорошего качества изображения при приеме аналогового телевизионного сигнала отношение С/П на входе телевизора должно составлять порядка 50 дБ, т.е. амплитуда сигнала должна быть больше среднеквадратического значения напряжения помехи примерно в 300 раз.

 

 

Рис. 1.3. Влияние помех на прием цифрового сигнала

В приемнике обработка сигнала выполняется пороговым устройством с порогом, расположенным посередине между верхним и нижним уровнями принятого сигнала. В результате обеспечивается безошибочный прием (рис. 1.3,г). Таким образом, переход к передаче цифрового сигнала позволяет получить высокое качество изображения при значениях С/П в десятки раз меньших, чем в аналоговом телевидении. На самом деле за повышение помехоустойчивости приходится платить дорогую цену в виде значительного увеличения требуемой ширины полосы пропускания канала связи. На рис. 1.3,д показан сигнал во втором варианте канала связи, где отношение С/П равно 3 или 9,5 дБ. В этом случае после пороговой обработки в принятом сигнале имеется много ошибок, имеющих вид ложных переходов с верхнего уровня на нижний и обратно (рис. 1.3,е). Из-за этого в приемнике невозможно обеспечить правильную синхронизацию тактовой частоты и, следовательно, правильное определение значений передаваемых двоичных символов.

В аналоговой технике известны многие виды обработки сигналов; усиление, фильтрация, ограничение, модуляция, демодуляция и т.д. Для выполнения операций обработки используются физические процессы в элементах электронных схем. Простой пример устройства аналоговой обработки - ФНЧ первого порядка (рис. 1.4,а). Сглаживание быстрых изменений входного сигнала Uвх(t) достигается за счет того, что ток зарядки емкости С ограничен сопротивлением R.

Цифровая обработка в большинстве случаев заключается в выполнении математических операций над числами, составляющими цифровой сигнал. Рассмотрим пример. В цифровом ФНЧ первого порядка (рис. 1.4,6) выходной цифровой сигнал у(k) связан со входным цифровым сигналом х(k) соотношением у( k ) = ах(k) + bу(k- 1),

 где а и b- постоянные числа, называемые коэффициентами фильтра, значение у(k- 1) представляет собой запомненное в ЗУ предыдущее значение выходного сигнала. Таким образом, для вычисления каждого значения выходного сигнала у(k) необходимы две операции умножения и операция сложения.

 

а) б)

 

Рис. 1.4. Аналоговый (а) и цифровой (б) фильтры НЧ??

 

Некоторые наиболее важные области применения цифровой обработки сигналов в телевидении:

• цифровая фильтрация сигналов, в частности, для уменьшения влияния помех и шумов, для подавления отраженных сигналов, для разделения сигналов яркости и цветности и т.д.

• преобразование стандарта телевизионной развертки, например, для уменьшения заметности мерцаний, для реализации функции «кадр в кадре» и др.

• кодирование телевизионных сигналов для уменьшения требуемой для их передачи пропускной способности каналов связи (сжатие или компрессия телевизионных сигналов).

• кодирование телевизионных сигналов для уменьшения влияния помех на телевизионные передачи.

Теперь можно дать определение: цифровое телевидение — это отрасль телевизионной техники, в которой передача, обработка и хранение телевизионного сигнала осуществляются хотя бы частично в цифровой форме.

 Цифровое телевидение обеспечивающее многие преимущества по сравнению с аналоговым телевидением, в том числе:

 • повышение помехоустойчивости систем телевизионного вещания;

 повышение качества изображения в телевизионных приемниках с обычным стандартом разложения;

• создание новых телевизионных систем, обеспечивающих существенное повышение качества изображения (телевидение высокой четкости - ТВЧ);

 • увеличение количества передаваемых телевизионных программ, так как по стандартному телевизионному каналу с шириной полосы частот 6...8 МГц оказывается возможным передавать 4 и более программ телевидения обычной четкости или 1-2 программы ТВЧ;

• интеграция телевизионного вещания с Интернет;

• обеспечение защиты передаваемых телевизионных программ и другой информации от несанкционированного доступа, что дает возможность создавать системы платного ТВ-вещания;

• создание интерактивных телевизионных систем, при пользовании которыми зритель получает возможность воздействовать на передаваемую программу.

 

Вещательное телевидение.

 Классификация систем вещательного телевидения.

 Системы вещательного телевидения по способу доступа абонента к вещательному контенту можно разделить на три группы:

 - открытые телевизионные системы, имеющие свободный доступ к контенту, без специальных ограничений; к ним относятся системы «эфирного» телевещания, системы непосредственного спутникового вещания;

 - закрытые телевизионные системы, доступ к контенту которых осуществляется за счет специального подключения абонента к вещательной телевизионной сети. Это системы кабельного телевидения, причем способ реализации сети (радиочастотные или оптические сети) в данном случае не имеет значения;

- системы специального доступа. Это системы, в которых получение передаваемого контента возможно за счет специального протокола доступа. В частности, это все виды платных телевизионных каналов, в которых возможность просмотра программы обусловлена процедурой оплаты услуги.

 По виду используемого сигнала вещательные телевизионные сети делятся на: - аналоговые (передающие компонентный сигнал в форматах PAL, Secam, NTSC);

 - цифровые, использующие форматы типа DVB.

По объему передаваемой видеоинформации (по четкости) различают:

 - вещательные системы стандартной четкости (500 000 элементов разложения), независимо от вида используемого сигнала: аналоговый или цифровой;

 - вещательные системы высокого разрешения (более 6 000 0000 элементов разрешения), которые реализуются только в цифровых технологиях.

 

 Телевизионный вещательный тракт.

 

 

Цветовые искажения

 

Цветовые ощущения – дискретны, оцениваются числом порогов цветоразличимости.   Искажения цветности изображения в ТВ-системах возникают из-за ряда причин:

- использование реальных красного, зелёного и синего люминофоров цветных кинескопов, спектральные характеристики и насыщенность которых ограничивают воспроизведение максимального цветового охвата;

- использование реальных источников освещения, светоделительных устройств и передающих трубок, спектральные характеристики которых не полностью обеспечивают верность цветопередачи;

- линейные и нелинейные искажения ТВ сигнала, возникающие в ФЭП свет-сигнал и сигнал-свет, а так же в тракте передачи и устройствах формирования и селекции сигналов яркости и цветности;

- разброс параметров, старение, неоптимальные режимы работы элементов системы, в частности – цветных кинескопов;

- рассовмещение и неидентичность растров цветоделённых изображений, перекрёстные искажения и наличие временного сдвига между сигналами яркости и цветности из-за различных условий их передачи, которые вызывают цветные окантовки, повторы (ложные контуры) и т.п. нарушения в репродукциях деталей изображения;

- специфические особенности передачи и селекции сигналов цветности в различных системах цветного телевидения.

Компенсация цветовых искажений производится на телецентрах с помощью специальных устройств – цветокорректоров, корректоров нелинейных искажений ТВ сигналов (гамма-корректоров).

 

Цифровое кодирование.

Квантованный сигнал, в отличие от исходного аналогового, может принимать только конечное число значений. Это позволяет представить его в пределах каждого интервала дискретизации числом, равным порядковому номеру уровня квантования. В свою очередь это число можно выразить комбинацией некоторых знаков или символов.

Совокупность знаков (символов) и система правил, при помощи которых данные представляются в виде набора символов, называют кодом.

Рис.5.

 

Важным показателем, характеризующим цифровой поток, является скорость передачи данных. Если длина слова равна n, а частота дискретизации FD, то скорость передачи данных, выраженная в числе двоичных символов в единицу времени (бит/с), находится как произведение длины слова на частоту дискретизации: C = nFD .

 

Рис.7 Кодирование компонентного видеосигнала (4:2:2).

 

В этом случае на них часто ссылаются как на показатели динамического диапазона или полного разрешения по уровню сигнала, поскольку число уровней квантования определяет шум квантования и, соответственно, динамический диапазон. В этом же смысле иногда говорят о 10-битном разрешении.

 

 

Рис.8 Кодирование компонентного видеосигнала (4:2:2). Структура дискретизации.

Частоты дискретизации представляют гармоники строчной частоты, что обеспечивает неподвижную ортогональную структуру отсчетов ТВ изображения рис. 8.

Величинам 13,5 МГц и 6,75 МГц кратна, как частота строчной развертки 15625 Гц стандарта телевизионного разложения 625/50, так и частота развертки стандарта 525/60. Собственно, выбор в качестве базовой именно частоты 3,375 МГц во многом связан с соображениями кратности с частотами строчной развертки двух мировых стандартов разложения. Это важно потому, что позволило ввести единый мировой стандарт цифрового кодирования компонентного видеосигнала, при котором в активной части строки содержится 720 отсчетов яркостного сигнала и по 360 - каждого цветоразностного. Различие в системах 625/50 и 525/60 заключается в разном числе строк и несколько отличающейся длительности интервала гашения. Полная скорость передачи цифрового компонентного видеосигнала составляет 10 х 13,5 + 10 х 6,75 + 10 х 6,75 = 270 Мбит/с.

 

Рис.9 Кодирование компонентного видеосигнала (4:4:4).

Формат 4:2:0 предлагает изображение, в котором яркостная компонента Y содержит в активной части кадра 576 строк по 720 отсчетов, а цветоразностные компоненты Cr и Cb - 288 строк по 360 отсчетов рис.12.

 

Рис.12 Кодирование компонентного видеосигнала (4:2:0).

Варианты кодирования 4:1:1 и 4:2:0 характеризуются одинаковой скоростью передачи данных - 202,5 Мбит/с для длины кодового слова в 10 бит и 162 Мбит/с - для 8 бит на слово. Если передавать только активную часть изображения (без обратного хода), то величина цифрового потока при 8 битах на слово составит 124 Мбит/с. Цифровые сигналы этих двух форматов могут быть получены из сигналов стандарта 4:2:2 путем предварительной обработки и децимации (прореживания отсчетов) с целью сокращения скорости потока. Формат 4:1:1 оказывается более удобным для систем со стандартом разложения 525/60, а формат 4:2:0 - для систем 625/50. Это связано с тем, что потеря вертикальной четкости более заметна в системе с меньшим числом строк (525/60), а потеря горизонтальной четкости более заметна в системе 625/50.

 

ДКП. Трансформанты.

Дискретное косинусное преобразование.

На этом этапе обработки в стандарте JPEG использован чисто математический прием под названием "Дискретное косинусное преобразование" (Discrete Cosine Transform - DCT), предложенный В.Ченом в 1981 году. По сути, этот метод сходен с более известным двумерным дискретным преобразованием Фурье и отличается от него только используемыми базисными функциями. Достоинством DCT по сравнению с другими аналогичными ортогональными преобразованиями (синусным, Фурье, Адамара, Хаара и др.) является быстрая сходимость ряда, что обеспечивает меньшую погрешность ошибки преобразования.

Основу для применения DCT составляет тот факт, что, полученные на предыдущем этапе обработки матрицы состоят из отсчетов, почти равных между собой по величине, а DCT преобразует информацию о величинах отсчетов в информацию о скорости изменения этих величин. В результате этого исходная матрица отсчетов превращается в такую же по размерам матрицу частотных коэффициентов, которые уже не имеют такой прямой геометрической связи с положением отсчетов сигнала в изображении, а могут рассматриваться как двумерный спектр скоростей изменения изображения в горизонтальном и вертикальном направлениях.

Достоинством такой формы записи является то, что для реальных изображений большинство значащих членов в новой матрице оказывается сгруппировано в левом верхнем углу (область малых скоростей изменения величин отсчетов в изображении), а правая нижняя часть матрицы (область больших скоростей) содержит члены с малыми значениями или вообще нулевые.

Дискретное косинусное преобразование осуществляет перевод отдельных блоков изображения, размер которых определен JPEG 8х8 пикселей, из пространственной в область пространственных частот. Для многокомпонентных изображений DСT применяется раздельно к блокам каждого компонента. При применении субдискретизации блоков одних компонентов может оказаться больше, чем других (например, яркостных больше, чем цветоразностных). Пиксели в каждом блоке нумеруются от (0,0) в левом верхнем углу до (N,N) в правом нижнем углу.

 

?Двумерное DСT в общем виде ведется по формулам:

_ДКП

Формула дискретного косинусного преобразования.?

Здесь i, j - координаты в спектральной области;

ДКП ^(I,j)— коэффициенты DСT;

x, y — координаты элемента изображения в блоке;

pixel(x, y) — значения яркости или цветности.

одкп _ДКП

Формула обратного дискретного косинусного преобразования

Теоретически DСT является однозначной операцией, так что на основании вычисленного массива изображения в частотно-пространственной области с помощью обратного DСT можно восстановить исходное изображение без каких-либо потерь.

Формулы DCT матрицы 8х8 имеют вид:

Обратное DСT производится в декодере, и из имеющихся трансформант снова вычисляется оригинал блока в соответствии с формулой

В связи с ограниченной разрядной сеткой таблиц косинусов и перемножителей (особенно, если они различны в кодере и декодере) при JPEG могут возникнуть потери. Для блока 8х8 неокругленные выходные данные DСT приблизительно на 4 бита длиннее входных. Поэтому для входных 8-битных данных для восстановления без потерь нужно не менее 12 бит (для передачи дробных значений). Постоянная составляющая требует 11 бит, так как не имеет знака. В преобразованном блоке коэффициент ДКП(0,0) представляет собой постоянную составляющую. Коэффициенты располагаются таким образом, что в левом верхнем углу находится постоянная составляющая, вправо идет возрастание горизонтальных частот, вниз — вертикальных.?

Сокращение избыточности.

Дальнейшие операции алгоритма JPEG не связаны с потерями информации и включают: последовательное считывание в зигзагообразном порядке квантованных значений матрицы DCT, а также два этапа энтропийного сжатия, использующих метод кодирования длин серий и код Хаффмана. Необходимо отметить, что именно на этом этапе и обеспечивается основное сжатие информации, но оно оказывается возможным только благодаря достигнутой на предыдущих этапах "сортировке" исходных данных

После квантования коэффициентов DСT производится сокращение избыточности их последовательности с помощью модифицированного кода Хаффмана, дающего возможность кодирования со средней длиной кодового слова, меньшей одного бита на каждый коэффициент и называемого также кодом переменной длины (VLC) или арифметического кодирования. Для этого формируется линейная последовательность квантованных коэффициентов DСT блока путем их считывания в зигзагообразном порядке.

Суть зигзагообразного считывания заключается в том, что матрица частотных коэффициентов преобразуется в последовательный код. При этом считывание членов матрицы начинается с левого верхнего угла и далее последовательно идет по диагоналям до правого нижнего угла. В результате этого все значащие члены матрицы группируются в начале полученной кодовой группы, а в ее конце, как правило, образуется непрерывная последовательность нулей. Здесь возникает первая возможность для сжатия кода: все нули в конце могут быть просто отброшены, а при декодировании - дописаны, исходя из того, что общее число членов в кодовой группе должно быть равно 64. Все другие непрерывные последовательности одинаковых величин сжимаются стандартным методом кодирования длин серий, когда сама последовательность величин заменяется всего двумя параметрами: значением величины и числом членов в последовательности. Полученная в результате зигзагообразного считывания последовательность кодируется следующим образом. Кодированию подвергаются пары чисел (RUN, LENGTH), образующиеся вследствие разбиения общего потока на участки. При этом RUN — число участков, начинающихся с нулевых квантованных значений DCT, а LENGTH — число шагов внутри участка до получения первого ненулевого значения. К этим последовательностям применяется кодовая таблица.

?На рисунке показана последовательность, полученная зигзагообразным считыванием таблицы “Коэффициентов после квантования” и кодирование с помощью кодовой таблицы Хаффмана.

01000 0001101 111 111 111 0111 111 10

На рисунке:

- 156 — постоянная составляющая предыдущего блока;?

- код 10 — метка конца блока.

В рассмотренном примере блок будет закодирован потоком 01000 0001101 111 111 111 0111 111 10. Этот поток занимает 30 бит или 3,75 байта. Таким образом на уровне блока удалось достигнуть коэффициента сжатия около 17, поскольку исходный блок содержал 64 байта.?

JPEG - 2000.

В 1998 году из состава группы JPEG выделилась группа JBIG (Joint Bi-level Image Group), разрабатывающая стандарты представления графической информации для специфических применений. Разработанные этой группой алгоритмы G3 и G4 для факсимильной передачи псевдополутоновых и цветных изображений стали частью стандартных протоколов факсимильной связи, утвержденных ITU. А тем временем группа JPEG разработала новую версию стандарта JPEG-2000, нацеленную на решение проблем, связанных с компромиссом между коэффициентом сжатия информации и качеством изображения.

Технология сжатия JPEG стала применяться и для передачи подвижных изображений. Так, например, формат Motion JPEG (или просто MJPEG) описывает цифровой видеосигнал, представляющий собой последовательность изображений, сжатых по стандарту JPEG. Также алгоритм сжатия JPEG нашел свое отражение и в современных стандартах видеоконференцсвязи: H.261, H.263, Н.320, Н.323, Н.324. Но главное - JPEG-сжатие является основой алгоритма для обработки сигналов изображения в стандартах MPEG.

 

Квантование.

Число уровней квантования N является важнейшим параметром при обработке телевизионного сигнала. Квантование сопровождается ошибками (шумами) квантования. На изображении шум квантования может проявляться различным образом в зависимости от изменений яркости или цвета данного участка изображения. На участках, состоящих из мелких деталей, квантование приведет к случайным изменениям яркости или цвета. На участках с плавным изменением уровня видеосигнала квантование может привести к возникновению ложных контуров по тем линиям, на которых уровень видеосигнала пересекает границу двух смежных интервалов квантования. Заметность ложных контуров существенно уменьшается при случайных смещениях

Рис. 12.4. Квантование дискретного сигнала: – дискретные отсчеты сигнала;

– квантованные отсчеты сигнала

 

Равномерное квантование телевизионного сигнала не является наилучшим с точки зрения восприятия квантованного таким образом изображения зрительной системой человека. Однако техническая реализация неравномерного квантования достаточно сложна. В системах цифрового телевидения, как правило, применяется равномерное квантование

Для этого обычно выполняют предварительное нелинейное преобразование видеосигнала – гамма – коррекцию.

При этом решается две задачи:

- корректируется нелинейность передаточной характеристики кинескопа и обеспечивается оптимальная форма передаточной характеристики всего тракта телевизионной системы “от света до света”.

- уменьшается влияние ошибок квантования при малых уровнях яркости изображения. прошедших гамма-коррекцию сигналов с числом двоичных разрядов АЦП равным 8. При этих условиях шум квантования на изображении практически не заметен

Для всех трех сигналов предусмотрено 256 уровней квантования (число разрядов n = 8). При этом уровню черного сигнала яркости соответствует 16-й уровень, а номинальному уровню белого – 235-й уровень квантования. 16 уровней квантования снизу и 20 сверху образуют резервные зоны на случай выхода аналогового сигнала яркости за пределы номинального диапазона. Нулевым и 255-м уровнями передаются сигналы синхронизации. Аналого – цифровое преобразование сигнала яркости описывается соотношением

У = 219 Е^!_у +16,

где Е^!_У - аналоговый сигнал яркости, изменяющийся в диапазоне от 0 до 1 (штрих означает, что сигнал прошел гамма-коррекцию);

У – цифровой сигнал яркости, изменяющийся в диапазоне от 16 до 235.

При квантовании цветоразностных сигналов предусматриваются резервные зоны по 16 уровней квантования сверху и снизу. На АЦП поступают не сами цветоразностные сигналы Е^!_{R-- Y} и E^!_{B –Y} , а компрессированные цветоразностные сигналы, формируемые в соответствии с соотношениями

Е_СR = 0,713E^!_R-Y E_СB = 0,564E^!_B-Y

Причем значения сигналов Е_CR Е_CB изменяются в диапазоне от - 0,5 В до 0,5 В.

АЦП цветоразностных сигналов, в результате которых получаются цифровые цветоразностные сигналы С_R и С_B, выполняются в соответствии со следующими соотношениями

С _R = 224E^!_R-Y + 128 = 159,712E^!_R-Y + 128 = 160E^!_R-Y +128,

С _B = 224E^!_B-Y + 128 = 126,336E^!_B-Y + 128 = 126E^!_B-Y + 128

Так как цветоразностные сигналы являются двуполярными, 128-й уровень квантования должен соответствовать нулевому значению этих сигналов.

На рис.1 показано соответствие между уровнями аналоговых телевизионных сигналов и уровнями квантования обычного тестового сигнала в виде восьми цветных полос.

В настоящее время все шире применяется квантование яркостного и цветоразностных сигналов 10 – разрядным АЦП.

В состав телевизионного сигнала согласно рекомендации ITU-R BT 601 входят синхросигналы. Перед началом активного участка каждой строки в конце строчного гасящего импульса передается синхросигнал начала активной строки (НАС), а после окончания активного участка каждой строки в начале строчного гасящего импульса передается синхросигнал конца активной строки (КАС). Каждый из синхросигналов содержит 4 байта. Первый байт состоит из восьми двоичных единиц, что соответствует десятичному числу 255. Следующие два байта содержат нули. Последний четвертый байт содержит информацию о том, какое передается поле (четное или нечетное), какой именно это синхросигнал, а также обеспечивает защиту от ошибок. При использовании 10-разрядного квантования вместо числа 255 используется число 1023. Большая часть длительности строчного гасящего импульса между НАС и КАС остается свободной, и во время ее можно передавать различную информацию, например, преобразованные в цифровую форму сигналы звукового сопровождения.

Рисунок 1

 

Рекомендация ITU-R BT 601

Требования рекомендации ITU – R BT 601 определяют единый международный стандарт цифрового кодирования телевизионного сигнала для студийной аппаратуры. Стандарт применяется в современных цифровых телевизионных системах при цифровом представлении телевизионных сигналов обычной четкости. В стандарте предусмотрено раздельное кодирование яркостного и двух цветоразностных сигналов.

В соответствии с рекомендацией ITU-R BT 601, имеются два варианта структурной схемы формирователя цифрового телевизионного сигнала.

В устройстве рис.3 сигналы основных цветов Е_К , Е_{G ,} Е _B с источника телевизионных сигналов (телекамеры) поступают на гамма-корректоры (ГК) и после коррекции нелинейности – в кодирующую матрицу (КМ). В КМ эти сигналы по известным соотношениям преобразуются в сигнал яркости и цветоразностные сигналы. Далее сигналы преобразуются в АЦП в цифровые сигналы, пройдя масштабирование и сдвиг на входе АЦП.

Синхроимпульсы развертки источника телевизионных сигналов поступают на формирователь цифровых синхроимпульсов (ФЦСИ), вырабатывающий синхросигналы НАС и КАС. Кроме того, синхроимпульсы используются для синхронизации генератора тактовых импульсов (ГТИ), который вырабатывает импульсы с частотами 27, 13,5 и 6,75 МГц, поступающие на другие узлы устройства.

ГТИ содержит схему фазовой автоподстройки частоты, с помощью которой обеспечивается требуемое число периодов тактовых импульсов за период строчной развертки источника телевизионных сигналов. Мультиплексор (МП) в заданной последовательности передает на выход цифровые сигналы У, С_R и С_B В результате на выходе устройства получаем сформированный цифровой телевизионный сигнал (ЦТС).

 

 

Рис.3 Структурная схема формирователя цифрового ТВ – сигнала, выполняющего АЦП сигналов яркости и цветоразностных.

 

На рис.4 приведена структурная схема иного варианта формирователя ЦТС. По данной схеме сигналы основных цветов Е_R, , E_G и Е_В преобразуются в цифровые сигналы R_d , G_d, B_d . При этом каждый АЦП должен иметь 10, а лучше 12 разрядов. Далее цифровые сигналы поступают на цифровые гамма-корректоры, в которых выполняются нелинейные преобразования. Число двоичных разрядов прошедших гамма-коррекцию цифровых сигналов равно 8. Затем в кодирующей матрице сигналы преобразуются в цифровой сигнал яркости и два цветоразностных сигнала

Рис.4 Вариант структурной схемы формирователя ЦТС.

Выполнение гамма-коррекции цифровыми средствами обеспечивает более точное задание требуемой функции преобразования, но при этом необходимы более точные (и, следовательно, более дорогие) АЦП. Формирование синхросигналов и тактовых импульсов осуществляется аналогично первому варианту устройства.

 

 

 

 

 

 

История развития телевидения.

Содержание: Определения телевидения. Сравнение телевизионной системы с другими системами передачи информации. Преимущества телевизионного метода передачи информации.

Впервые термин «телевидение» появился в 1900 году в докладе русского инженера К. Перского на IV Международном электротехническом конгрессе. Данным термином называлась область науки и техники, которая занималась вопросами передачи и приема изображений с помощью электрических средств связи. Основная история развития телевидения сводится к следующему. 1839 г. – французский физик Э. Беккерель осуществил преобразование световой энергии в электрический ток. 1873 г. – английский инженер У. Смит обнаружил, что селен обладает свойством внутреннего фотоэффекта. 1887 г. – немецкий физик Г. Герц обнаружил явление внешнего фотоэффекта. 1888 г.– русский физик А. Столетов опубликовал основные законы внешнего фотоэффекта.1895 г. – А. Попов продемонстрировал прибор для регистрации грозовых разрядов – прототип будущих беспроводных систем. 1878 - 1884 гг. – первые проекты с поочередной передачей сигналов изображения. Среди многочисленных авторов русский студент П. Бахметьев и немецкий инженер П.Нипков. 1911 г.– Б. Розингом осуществлена первая передача и прием ТВ изображения. Появление ЭЛТ с разноскоростной разверткой. 1925 г – практическая реализация телевизионной системы. Д. Беком в Великобритании, Ч. Дженкинс в США, Л. Термен в СССР. 1929 г. – передача концерном «Телегор АГ» (Германия) в эфир ТВ изображения в стандарте 30 строк, 12,5 кадров в секунду. 1929 – 1941 гг. – практическая реализация ТВ систем в США, Великобритании, СССР. Число строк развертки увеличено до343. 1945 г. – возобновил работу Московский телецентр. В 1948 году введен стандарт 625 строк.1953 г. – в США введена совместимая система NTSC. 1967 г. – введение регулярных передач в системе SECAM. 1997 г. – МСЭ и МККР принят большой пакет стандартов в области цифрового телевидения.

Первой системой ТВ была механическая система, изобретённая немецким студентом Паулем Нипковым в 1884 г. В таких системах развертка изображения осуществлялась с помощью особого диска, изобретенного немецким студентом названным "диском Нипкова".

Простота конструкции Нипкова позволила впоследствии создать целый ряд действующих оптико-механических систем ТВ. Так в Москве в апреле 1931 г. коллектив электротехнического института под руководством Шмакова П.В. осуществил экспериментальную радиопередачу сигналов изображения в Ленинграде с четкостью 30 строк и частотой кадров 12,5 Гц. (1200 элементов изображения) на волнах 379 и 720 м. Начиная с осени 1934 г., эти передачи стали регулярными. Электромеханическое телевещание работало в Киеве, Ленинграде, Москве, Нижнем Новгороде, Одессе, Смоленске, Томске и Харькове. Годом позже Ленинградский завод им. Козицкого выпустил первую партию советских телевизоров (модель Б-2).

Первый принцип телевидения заключается в разбиении изображения на отдельные элементы и в поэлементной передаче всего изображения. Элементом изображения называется минимальная деталь изображения, которая может быть различима и воспроизведена ТВ системой. Процесс последовательной поэлементной передачи (анализа) и воспроизведения (синтеза) изображения называется разверткой изображения. Изображение, образованное совокупностью всех элементов, называется кадром.

Образованная в процессе развертки структура поля - совокупность строк - называется ТВ растром.

Передача и воспроизведение каждого элемента изображения должны осуществляться синхронно и синфазно. Это обеспечивается поддержанием в заданных пределах закона разверток на передающей, и на приемной стороне и осуществляется в результате движения луча с постоянной скоростью по горизонтали (строке) слева направо и по вертикали (кадру) сверху вниз и их периодической принудительной синхронизацией по строке и по кадру на передающей и приемной сторонах ТВ системы

Второй принцип, на котором базируется телевидение, - это последовательные во времени передача и воспроизведение информации о яркости (и цвете) отдельных элементов изображения. Это возможно благодаря инерционности зрения человека, которая проявляется в том, что мелькающий источник света при высокой частоте мельканий кажется непрерывно светящимся.

Естественно в ТВ вещании должно быть звуковое сопровождение, поэтому в систему вводится звуковой тpакт- это любое устpойство осуществляющее пеpедачу и/или пpеобpазование звука.

В конце 20-х гг. прошлого века одновременно в нескольких странах были проведены успешные эксперименты по электронному телевидению. Экспериментальные передачи движущегося изображения осуществлялись в Германии, Великобритании, СССР, США, Франции.

Основоположником электронного телевидения считается русский ученый Борис Розинг Б.Л.

В 1927 г. профессор Такаянаги — отец японского ТВ и основатель компании Victor, более известной как JVC, — провел серию успешных опытов с катодной трубкой Брауна и добился устойчивой передачи неподвижного изображения электронным методом. Его телевизионная система имела интересную особенность. Рассудив, что габариты студийной передающей камеры менее критичны, чем размер телевизора, Такаянаги использовал электромеханическую телекамеру и приемник с трубкой Брауна, создав прообраз «нормального» кинескопного телевизора (как у Розинга) . Это оказалось революционным для своего времени решением. Кстати, японцам принадлежит еще одно важное изобретение, соприкасающееся с телевидением. В 1924 г. профессор Токийского инженерного колледжа при Императорском университете Хидецугу Яга создал направленную антенну с пассивными элементами, которую в СССР именовали волновым каналом, а в остальном мире — антенной Яги. Долгое время волновой канал Яги служил основной телевизионной антенной во всем мире.

   Первый проект полностью электронной системы ТВ был реализован в Ташкенте в 1925 г. под руководством Грабовского, где и на приемной и передающей стороне использовались специальные электронно-лучевые трубки, однако большую известность получил ученик Розинга В.К.Зворыкин, считающийся отцом электронного телевидения. Трудовую деятельность в Штатах русский эмигрант начинал в компании Westinghouse. Но его первые работодатели электронное ТВ проспали. Зато Radio Corporation of America (RCA) щедро спонсировала работы Зворыкина, да еще хорошо заплатила Владимиру Кузьмичу за его изобретения. К середине 30-х гг. RCA стала монопольным держателем телевизионных патентов и одной из первых в мире начала электронное ТВ-вещание. А в начале 50-х гг. прошлого века специалисты этой корпорации придумали первую электронную систему цветного телевещания NTSC.

 

12345678910Следующая ⇒

Поделиться: