Квантование телевизионного сигнала

⇐ ПредыдущаяСтр 28 из 59Следующая ⇒

За процессом дискретизации при преобразовании аналогового сигнала в цифровую форму следует процесс квантования. Квантование заключается в округлении полученных после дискретизации мгновенных значений отсчетов до ближайших из набора отдельных фиксированных уровней. Квантование представляет собой дискретизацию телевизионного сигнала не во времени, а по уровню сигнала

Нефиксированные уровни, к которым «привязываются» отсчеты, 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 на изображениях с крупными планами. Этот эффект усугубляется на подвижных изображениях. Когда собственные шумы аналогового сигнала превышают шаг квантования, 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.

Обычно используется линейная шкала квантования, при которой размеры зон одинаковы.

Число уровней квантования, необходимое для высококачественного раздельного кодирования составляющих цветового телевизионного сигнала, определяется экспериментально. Очевидно, что с ростом этого числа точность передачи уровневой информации возрастает, шумы квантования снижаются, но при этом растет информационный поток и расширяется необходимая для передачи полоса частот. С другой стороны, при заниженном числе уровней квантования ухудшается качество изображения из-за появления на нем 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 телевизионных 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 ведет к появлению на изображении ложных контуров, что заметно ухудшает его качество. Следовательно, ближайшее число S двоичных символов (битов) в каждой кодовой комбинации, при которой ложные контура не видны, будет равным 7 (S=7). Чтобы сделать оптимальный выбор значения S, следует оценить уровень шумов квантования. Для количественной оценки влияния шумов квантования на качество телевизионного изображения целесообразно использовать специальный параметр - отношение сигнал-шум квантования ψ _кв, дБ.

В случае линейной шкалы квантования отношение сигнал-шум квантования ψ _кв, дБ определяется следующей известной формулой [13].

где ∆ U- шаг квантования; m - число уровней квантования; S - длина кодового слова, т.е. число бит, с помощью которых можно записать в двоичной форме любой номер уровня квантования до m включительно (m=2S²) = 2S); m∆ U - размах сигнала, подвергаемого квантованию; ∆ U/√ 12 - результирующее напряжение шума квантования.

Если S= 7, то ψ _кв, дБ ≈ 52, 8 дБ. Очевидный недостаток семиразрядного квантования заключается в близости к порогу по шумам квантования и ложным контурам. Дальнейшие исследования показали, что для высококачественного раздельного кодирования телевизионного сигнала необходимо, как минимум, 8-битовое квантование. Фактически используются не все 256 уровней 8-разрядного квантования (от 0 до 255), а несколько меньше. Обычно не используют полный динамический диапазон аналого-цифрового преобразователя (АЦП), если существует опасность его превышения в процессе эксплуатации. На практике превышение динамического диапазона АЦП может возникать из-за эксплуатационной нестабильности уровня видеосигнала, появления выбросов при использовании фильтров с резким ограничением амплитудно-частотной характеристики, переходных процессов схемы фиксации уровня и др. Учитывая это, для аналого-цифрового преобразования видеосигнала предложено выделить только 220 уровней, а уровню черного и номинальному уровню белого поставить в соответствие уровни 16 и 235. Таким образом, предусматривается запас в 16 уровней «снизу» и 20 уровней «сверху» при положительной полярности видеосигнала. Это различие учитывает неодинаковость восприятия возникающих помех дискретизации на черном и белом.

6.3.4. Международные стандарты цифрового преобразования телевизионных сигналов

Результаты проведенных исследований по цифровому преобразованию телевизионных сигналов вошли в Рекомендацию Международного консультативного комитета по радио (МККР) 11/601, разработанную в 1982 г. для цифрового телевидения, в которой приводятся значения основных параметров цифрового кодирования телевизионного сигнала для аппаратно-студийного комплекса (АСК) телецентров, работающих со стандартами разложения как на 625 строк, так и на 525. После вхождения МККР в состав Международного союза электросвязи (МСЭ) данная Рекомендация получила обозначение МСЭ-Р601. В дальнейшем была разработана Рекомендация Международного союза электросвязи МСЭ-Р BT.601-5, учитывающая воспроизведение телевизионных изображений как обычного формата, так и широкоэкранных. Данный документ обобщил результаты работы различных исследовательских групп, на основании которых сформулированы принципы преобразования аналогового телевизионного сигнала в цифровую форму, используемые всеми производителями современного телевизионного оборудования. Рекомендация МСЭ-Р ВТ.601-5 описывает аналого-цифровое преобразование телевизионного сигнала компонентного типа, т.е. предлагает осуществлять раздельное кодирование яркостного (Е_Y → Y) и цветоразностных (Е_R_-_Y → С_r) и (Е_B_-_Y → С_b) сигналов. При этом в данной Рекомендации нормируются основные параметры отдельных операций аналого-цифрового преобразования компонент телевизионного сигнала, обеспечивающие вещательное качество формируемого цифрового телевизионного сигнала.

При разработке Рекомендации МСЭ-Р ВТ.601-5 значения частот дискретизации выбирались из расчета безыскаженного преобразования в цифровую форму сигнала яркости в полосе частот 5, 75 МГц, обеспечивающей горизонтальную четкость изображения более 440 телевизионных линий (твл) и цветоразностных сигналов в полосе частот до 2, 75 МГц, дающей четкость более 214 твл. Для яркостного сигнала Е_Y частота дискретизации выбрана 13, 5 МГц. С учетом необходимости образования общего цифрового потока и фиксированной структуры отсчетов, выбранная частота дискретизации цветоразностных сигналов равна половине частоты дискретизации сигнала яркости, т.е. 6, 75 МГц. Следовательно, частоты дискретизации сигналов Е_Y, Е_R_-_Y, Е_B_-_Y могут непосредственно формироваться из строчной частоты соответствующего стандарта разложения. По аналогии с преобразованием композитных телевизионных сигналов систем PAL и NTSC в цифровую форму, где частота дискретизации выбиралась равной учетверенной частоте цветовой поднесущей, частоту 13, 5 МГц называют «четверкой», а частоту 6, 75 МГц - «двойкой». Таким образом, совокупность цифровых компонентных видеосигналов в соответствии с Рекомендацией МСЭ-Р ВТ.601-5 описывается формулой «4: 2: 2», что отражает соотношение частот дискретизации сигнала яркости и двух цветоразностных сигналов, а также одновременность их передачи. При этом цифровые компонентные видеосигналы (С_r, С_b) связаны с исходными цветоделенными аналоговыми телевизионными сигналами (Е_R, E_G, E_B) следующими соотношениями:

С_r = 0, 713(Е_R-Y) = 0, 713Е_R_-_Y

С_b = 0, 564(Е_B-Y) = 0, 564Е_B_-_Y,

а сигнал Y определяется выражением (6.1).

На практике внедрение стандарта цифрового кодирования 4: 2: 2 уменьшает отличие между основными стандартами разложения 625/50 и 525/60 и обеспечивает более высокий уровень их совместимости. Это достигнуто унифицированием длительности активной части строки в двух системах развертки и выбором одинакового числа отсчетов на активной части телевизионной строки: для сигнала яркости 720 отсчетов, а для каждого из цветоразностных сигналов - по 360 отсчетов.

В цифровых телевизионных системах яркостный и цветоразностные сигналы подвергаются 8-разрядному квантованию, т.е. S = 8, где S-длина кодового слова, определяющая число бит, с помощью которых можно записать в двоичной форме любой номер уровня квантования до m включительно (m = 2^S ). Рекомендация МСЭ-Р ВТ.601-5 учитывает, что исходные аналоговые сигналы Е_Y, Е_R_-_Y, Е_B_-_Y являются гамма-корректированными, т.е. их получают путем матрицирования гамма-корректированных цветоделенных сигналов Е_R, E_G, E_B видеодатчика. Обработка негамма-корректированных видеосигналов требует увеличения разрядности квантований по крайней мере до 11 бит, чтобы избежать заметности помех квантования в области черного.

Современный прогресс технологии интегральных микросхем позволил начать промышленный выпуск 10-разрядных АЦП и ЦАП для кодирования и декодирования телевизионных сигналов, что дает возможность разработчикам студийной телевизионной аппаратуры особо высокого класса качества перейти от 8-разрядного к 10 разрядному кодированию. В данном случае одним из ключевых моментов является уровень шума квантования. Видеосигнал с 8-битовым квантованием может иметь отношение сигнал-шум, равное 58, 8 дБ, с 10-битовым квантованием - до 70, 8 дБ. При этом следует учесть, что в некоторых аналоговых устройствах отношение сигнал-шум уже достигает 65 дБ. Это и определяет соответствующие требования к цифровому оборудованию. Кроме того, по ряду ответственных операций, например, микшированию, рир-проекции, монтажу, 8-битовое квантование не обеспечивает требуемого качества, а в некоторых случаях, например, в цифровых телевизионных камерах, необходимо даже 14-битовое квантование.

Основные параметры цифрового кодирования телевизионного сигнала в соответствии с Рекомендацией МСЭ-Р ВТ.601-5 приведены в табл. 6.1 [12].

Стандарт 4: 2: 2 определяет также скорость передачи цифровых компонентных видеосигналов, на которую должны ориентироваться разработчики цифровой аппаратуры, и цифровых интерфейсов. Скорость цифрового потока С для цифровых компонентных видеосигналов рассчитывается по следующему выражению:

С = S(f_д_Y+ f_д_R-Y+ f_д_B-Y).

где f_д_Y - частота дисфетизации сигнала Е_Y, Гц; f_д_R_-_Y - частота дискретизации сигнала Е_R_-_Y, Гц; f_д_B_-_Y - частота дискретизации сигнала Е_B_-_Y, Гц.

При использовании стандарта цифрового кодирования 4: 2: 2 путем объединения цифровых потоков яркостного и цветоразностных сигналов в случае S = 8 суммарная скорость передачи цифровой информации равна 216 Мбит/с. В случае 10-битового кодирования С = 270 Мбит/с.

Если в цифровой телевизионной системе предполагается воспроизведение изображений с форматом кадра 16: 9, то значения частот дискретизации следует увеличить в 1, 33 раза, например, частоту дисфетизации сигнала Е_Y (f_д_Y) до 18 МГц. В зависимости от разрядности квантования (длины кодового слова) скорость передачи цифровой информации в этом случае будет равна 288 или 360 Мбит/с.

Для некоторых случаев стандарт 4: 2: 2 оказывается неоптимальным, и поэтому применяются другие стандарты для записи, обработки и передачи цифровых компонентных сигналов. Формат 4: 4: 4 предполагает для всех трех компонентов Y, С_r, С_b использовать дискретизацию частотой 13, 5 МГц, т.е. все компоненты передаются в полной полосе частот и каждый из них содержит 720 отсчетов в активной цифровой части строки. В этом случае скорость цифрового потока при 10-битовом представлении отсчетов составляет 405 Мбит/с. Стандарт 4: 4: 4 используется при создании телевизионной продукции, к качеству которой предъявляются повышенные требования, например телевизионных фильмов. Стандарт 4: 4: 4: 4 аналогичен стандарту 4: 4: 4, но использует помимо вышерассмотренных дополнительный четвертый сигнал альфа-канала, несущий информацию об обработке сигнала, например о прозрачности изображения переднего плана при наложении нескольких изображений. Дополнительным сигналом может также быть сигнал яркости Y в дополнение к сигналам основных цветов Е_R, E_G, E_B. Скорость передачи данных в этом случае для 10-битового кодирования - 540 Мбит/с.

Следующие стандарты предполагают уменьшение частоты дискретизации цветоразностных сигналов в сравнении с форматом 4: 2: 2 и создавались прежде всего не для внутристудийного использования, а для тех случаев, когда нужно в цифровой форме передать сигнал вещательного качества и устранить избыточность цветовой информации. Для уменьшения скорости цифрового потока в таком случае признано целесообразным также уменьшить число разрядов квантования с 10 до 8. В стандарте 4: 1: 1 частоты дискретизации цветоразностных сигналов составляют 3, 375 МГц, что соответствует 180 отсчетам сигналов С_r и С_b при 720 отсчетах яркостного сигнала Y и цифровой скорости 202, 5 Мбит/с для 10-битовых слов и 162 Мбит/с для 8-битовых слов.

Таблица 6.1. Основные параметры цифровых компонентных видеосигналов стандарта 4: 2: 2

Параметр	525/60/чересстрочная	525 /50 /чересстрочная
Кодируемые сигналы	Сигнал яркости Y без синхроимпульсов Цветоразностные сигналы С_r и С_b
Структура дискретизации	Ортогональная периодическая по строкам, полям, отсчеты С_r и С_b в каждой строке совмещены с нечетными отсчетами Y
Частота дискретизации сигнала яркости Y, МГц	13, 5
Частота дискретизации каждого цветоразностного сигнала С_r, С_b, МГц	6, 75
Число цифровых активных строк
Цифровой вертикальный интервал гашения, строки: - нечетное поле - четное поле	1-10 264-273	624-23 311-336
Число отсчетов в цифровой активной части строки: -сигнала яркости Y -каждого цветоразностного сигнала С_r, С_b
Полное число отсчетов в строке: -сигнала яркости Y -каждого цветоразностного сигнала С_r, С_b
Число битов на отсчет	8, 10
Число уровней в 10- разрядном слове для квантования яркостного сигнала	877 (64 - уровень черного, 940 - номинальное значение белого)
Число уровней в 10-разрядном слове для квантования цветоразностных сигналов	897 (нулевому значению аналогового сигнала соответствует уровень квантования 512)

Рис. 6.13. Графическое представление стандартов цифрового кодирования телевизионного сигнала

Стандарт 4: 1: 1, как и все вышерассмотренные, передает информацию о цвете в каждой строке и поэтому более предпочтителен для системы телевидения NTSC, так как в ней информация о цвете передается для каждой строки без усреднения и общее число строк меньше, чем в других системах. Для системы SECAM характерна меньшая цветовая четкость по вертикали и большая по горизонтали, что и обеспечивает стандарт 4: 2: 0, в котором информация о цвете передается через одну строку. Скорость цифрового потока при этом аналогична стандарту 4: 1: 1, а в случае передачи только активной части строки составляет 124 Мбит/с для 8-битовых слов.

Таким образом, создается иерархия (семейство) совместимых стандартов цифрового кодирования. Требование совместимости семейства стандартов цифрового кодирования заключается в сравнительно простом переходе от одного стандарта к другому. Если учесть, что все стандарты базируются на ортогональной структуре дискретизации, то, например, переход от стандарта 4: 4: 4 к 4: 2: 2 получается отбрасыванием каждого второго отсчета цветоразностных сигналов, а переход от стандарта 4: 2: 2 к 4: 1: 1 осуществляется отбрасыванием каждых трех отсчетов (рис. 6.13). Аналогично переход от стандарта 4: 1: 1 к стандартам 4: 2: 2 и 4: 4: 4 будет заключаться в восстановлении недостающих отсчетов цветоразностных сигналов.

Предусмотрена возможность применения стандарта более низкого уровня (например, для комплексов видеожурналистики) с условным обозначением 2: 1: 1 (частоты дискретизации соответственно равны 6, 75 МГц и 3, 375 МГц).

Также находят применение стандарт 3: 1: 1 - скорость передачи данных 135 Мбит/с при 8-битовом кодировании и формат CIF (Common Interchange Format), содержащий 288 строк по 352 отсчета для яркостной компоненты и 144 строки по 176 отсчетов для цветоразностных компонентов. Последний стандарт используется в низкоскоростных системах, таких как CD-ROM приложения, при передаче только активной части изображения скорость цифрового потока составляет 30 Мбит/с при 8-битовых отсчетах.

Помимо цифрового представления компонентных видеосигналов, было разработано кодирование композитного сигнала. Для точного преобразования всех составляющих сложного сигнала систем PAL и NTSC было предложено дискретизировать его с частотой 4f_sc, т.е. равной четвертой гармонике цветовой поднесущей. В результате, в системе NTSC скорость передачи цифрового сигнала составляет 143 Мбит/с, а в системе PAL - 177 Мбит/с.

Разрабатываемые системы ТВЧ имеют примерно удвоенную разрешающую способность по вертикали и, как минимум, удвоенную разрешающую способность по горизонтали. К настоящему времени для целей студийного производства (в АСК) и телевизионного вещания предложено два стандарта: 1125/60/2: 1 и 1250/50/2: 1. Непосредственно для производства и международного обмена программами ТВЧ предлагаются стандарты: 1080/25/1: 1, 1080/30/1: 1, 1080/50/1: 1, 1080/60/1: 1, 1080/50/2: 1, 1080/60/2: 1. Кроме того, в последнее время предложен стандарт 1080/24/1: 1, который использует частоту кадров 24 Гц при прогрессивной развертке. Следует заметить, что подобная частота смены кадров применяется в кинематографе. Поэтому благодаря этому стандарту электронная и киноверсия кинофильма совпадают, что облегчает международный обмен кинопрограммами, которые редактируются в электронном виде и могут передаваться по цифровым каналам связи. Таким образом, на основе цифровых технологий впервые удалось эффективно объединить интересы ТВЧ вещания и массового электронного кинематографа.

Использование цифровых методов в ТВЧ позволило во многом унифицировать множество предложенных стандартов за счет применения единого формата (16: 9) изображения ТВЧ, предусматривающего 1080 активных строк в кадре с чересстрочным или прогрессивным разложением при 1920 отсчетах в активной части строки для яркостного сигнала (для цветоразностных сигналов число отсчетов в активной части строки установлено равным 960). Предполагается переключаемая частота кадров 24, 25, 30 кадров в секунду при частоте 50/60 полей в с. (Рекомендация МСЭ-Р ВТ.709-3, принятая в июне 1999 г.). Формат 16: 9 означает формирование квадратной структуры отсчетов, что соответствует квадратным элементам изображения на экране, обычно используемым в компьютерной технике.

Разработка Рекомендации МСЭ-Р ВТ.709-3 впервые в мировой практике позволяет создать единую линейку студийного цифрового оборудования, удовлетворяющего требованиям видео- и кинопроизводства, а также международного обмена передачами ТВЧ.

Основные параметры цифрового кодирования вещательных стандартов ТВЧ, согласованные в соответствии с Рекомендацией МСЭ-Р ВТ.709-3, приведены в табл. 6.2.

Таблица 6.2. Основные параметры цифрового кодирования вещательных стандартов ТВЧ

Параметр	Значения для стандарта
1125/60/2: 1	1250/50/2: 1
Частота дискретизации сигнала яркости Е_Y, МГц	74, 25 (33x2, 25)	(32x2, 25)
Частота дискретизации цветоразностных сигналов Е_R_-_Y, E_B_-_Y, МГц	37, 125 (33/2x2, 25)	(33/2x2, 25)
Вид кодирования	Линейное, 8 или 10 бит для каждого сигнала	Линейное, 8 или 10 бит для каждого сигнала
Скорость результирующего цифрового потока при 8-битовом кодировании, Мбит/с.
Скорость результирующего цифрового потока при 10-битовом кодировании, Мбит/с

Таким образом, при реализации цифровых способов кодирования телевизионных изображений, основанных на классической ИКМ, необходимо оперировать с высокой скоростью цифрового потока, достигающей нескольких сотен или даже полутора тысяч (в случае ТВЧ) Мбит/с. И это рождает много проблем как при передаче видеоданных по каналам связи, так и при их обработке, например, консервации, т.е. записи. Снизить указанные скорости цифрового потока позволяют методы эффективного сокращения объемов психофизиологической и статистической избыточности составляющих видеоинформации, например, разработанные на их основе способы видеокомпрессии, являющиеся ключевыми процессами цифровых технологий.

⇐ Предыдущая 23 24 25 26 272829 30 31 32 Следующая ⇒