Глава4 сжатиетелевизионныхсигналов

4.1.Задачасжатия·информацииипутиеерешения

Цифровойтелевизионныйсигналвпоследовательнойформеможетнепо­средственноnередаватьсяпоширокоnолоснымцифровымканаламсвязи.Дляцифровоготелевизионноговещаниямогутиспользоватьсяиканалысвязис

модуляциейнесущегоколебания.Каналысвязимогутбытьреализованыкакввидерадиоканалов,такиввидекоаксиальныхиливолоконно-оптическихкабе­лей.Возможностьточнойпередачицифровогосигналавпервуюочередьопре­деляетсяотношениемСигнал/Помеха(С/П)вканалесвязи.Возникновениеошибокпояснялосьнарис.1.3.

Оценимтребуемуюдляпередачицифровоготелевизионногосигналавпо­следовательнойформеширинуполосычастотканаласвязи.Рассмотримпе­риодическуюпоследовательностьпрямоугольныхимпульсов,имеющихпериодТ=2Ти.Спектртакогосигналасодержитпостояннуюсоставляющую,основнуюгармоникучастоты1/Типостепенноубывающиенечетныегармоникиэтойчас­тоты(см.рис.3.1).Спектридеальногоимпульсногосигналанеограничен.

ЕслиограничитьполосучастоттакогосигналаспомощьюФНЧ,формаим­пульсовбудетискажена(рис.4.1,сплошнаялиния).Искаженияпроявятсявви­деувеличениядлительностейнарастанияиспадаимпульсаивозникновенияколебательныхпереходныхпроцессов.ДлительностьнарастанияимпульсаfнсвязанасверхнейграничнойчастотойФНЧfвсоотношением

Еслидлительностьвходногоимпульсаменьшеfн,амплитудаимпульсанавыходеФНЧстанетуменьшаться.Этотслучайпоказаннарис.4.1.штриховойлинией.Придостаточновысокойтактовойчастотеи,следовательно,малойдлительностиимпульсов,ихамплитуданавыходеканаласвязистанетсрав­нимойсуровнемпомех,чтоприведеткошибкамработыприемногаустройства.Выбросыиколебательныепереходныепроцессы,возникающиеприпередачеимпульсов,такжеограничиваютскоростьпередачи.Колебательныйпереход­ныйпроцесс,созданныйоднимимпульсом,накладываетсянаследующийим­пульс.Приэтомвозникаетпомеха,называемаяинтерференционной,котораяможетпривестикошибкамприема.

Описанныеявленияприводяткизвестномуещеизраннихработпотеориисвя­

зиусловию:поканалусвязисширинойполосыпропусканиядFможнопередаватьUFбитинформацииза1с,т.е.эффективностьиспользованияполосычастотка­наласвязисоставляет2(бит/с)/Гц.Следовательно,дляпередачивпоследо­вательнойформецифровоготелевизионногосигналасформатомдискре­тизации4:2:2соскоростьюпередачидвоичныхсимволов243Мбит/снеобходим

Сжатиетелевизионнь1хсигналов

каналсвязисширинойполосы121,5МГц.Ясно,чтонистандартныйканалназемноготелевизионноговещания,имеющийширинуполосы8МГц,ниспут­никовыйканалсвязи,имеющийширинуполосы27МГц,непригодныдляпере­дачицифровоготелевизионногосигнала.Этоотноситсяикцифровомутелеви­зионномусигналусдискретизацией4:2:0,иксигналамстандартов,применяе­мыхввидеосвязи(см.табл.2.3)дажеприпониженнойчастотепередачикад­ров.Адляпередачителевизионныхсигналоввысокойчеткостинеобходимаещеболееширокаяполосачастот.

Поэтомуоднойизважнейшихзадачвобластицифровоготелевидениябылазадачасокращенияскоростипередачидвоичныхсимволови,соответственно,требуемойполосычастотканаласвязи.Этазадачаможетбытьрешенапутемуменьшенияизбыточностиинформации,передаваемойвтелевизионномсиг­нале.УменьшениеизбыточностиобеспечиваеттакжеуменьшениетребуемогообъемаЗУпризаписителевизионныхпрограммилиотдельныхизображений.Всоответствиисустановившейсявтехническойлитературетерминологиейуменьшениеобъемапередаваемойинформациивбольшинствеслучаевбудемназыватьсжатиемвидеоинформации,атакжесжатиемизображений,сжатиемзвуковыхсигналов,сжатиемречиит.д.Ванглоязычнойлитературеиспольу­етсятерминcompression,ивместословасжатиевозможноиспользоватьсло­вокомпрессия.Обратнуюоперациюбудемназыватьдекомпрессией(decom­pression).Нанашвзглядудачнымявляетсятерминрассжатие,ноонещенесталширокораспространенным.

и

Рис.4.1.Искажениеформыпрямоугольногоимпульсавканалесвязи

Крометого,вомногихслучаяхвместотерминов«сжатие»или<<компрессия»и«рассжатие>>или«декомпрессиЯ>>будутиспользоватьсятермины<<Кодирова­ние»и<<декодирование»,соответственно.ЭтосоответствуеттерминологиистандартовISO(eпcoding,decoding),носледуетвсегдапонимать,чтоиметсяввиду,таккак,например,впроцессесжатия(тоестькодирования)постандар­тамJPEG,MPEG-1,MPEG-2идр.вьюолняетсянесколькоразныхпосущностиопераций,некоторыеизкоторых,взятыесамипосебе.такженазываютсякоди­рованием.

Избыточностьтелевизионногосигналаразделяетсянаструктурную,стати­

стическуюипсихофизиологическую.

Структурнаяизбыточностьсвязанасналичиемвобычномтелевизионномсигналегасящихимпульсов,вовремякоторыхинформацияобизображениинепередается.Структурнаяизбыточностьтелевизионногосигналаможетбытьуменьшенапутемпередачивовремягасящихимпульсовкакой-либополезнойинформацией.например-звуковогосопровождения,однакобольшоговыиг­рышаэтонедает.

Статистическаяизбыточностьвызываетсяналичиемкорреляционныхсвя­зеймеждузначениямисигналавсоседнихэлементаходнойстроки,всоседнихстрокахивсоседнихкадрах.Наглядноможнопредставитьсебесмыслстати­стическойизбыточностикакналичиеповторяемостиинформациивследующихдругзадругомкадрах.Однимизнаиболееизвестныхметодовсокращенияста­тистическойизбыточностиявляетсякодированиеспредсказаниемилидиффе­ренциальнаяимпульсно-кодоваямодуляция(ДИКМ).ВстандартахMPEGкоди­рованиеспредсказаниемявляетсяоднимизосновныхинструментовсжатия.Приэтомдлябольшинствакадровпередаетсянесамоизображение,атакна­зываемаяошибкапредсказания.-разностьдействительногоизображениядан­ногокадраиnредсказанногоизображенияэтогожекадра,котороеформирует­сяпоопределеннымправиламизизображенийранеепереданныхкадров.Таккакбольшинствокадровтелевизионногосигналавзначительнойстепенипо­вторяютпредыдущие,ошибкапредсказаниясодержитзначительноменьшийобъеминформации,чемдействительноеизображение.

Психофизиологическаяизбытоqностьтелевизионногосигналаопределяетсятойинформациейвнем,котораяневоспринимаетсячеловекоми,следова­тельно,моглабыинепередаваться.Психофизиологическаяизбыточностьсо­кращаетсязасчетудаленияизпередаваемогосигналаинформации,отсутст­виекоторойневлияетсущественнонавосприятиеизображениячеловеком.

ПримерамметодасокращенияnсихофизиологическойизбыточностиможетслужитьспособкодированияКретцмера,всоответствиискоторымприпереда­чекрупныхдеталейизображенияколичествоградацийяркостиувеличивается,априпередачемелкихдеталей-уменьшается.Этотспособоснованнаис­пользованииобратнопропорциональнойзависимостимеждугеометрическимиградационнымразрешениемзрительногоаппаратачеловека.Привосприятиимелкихдеталейухудшаетсяразличениеградацийяркости.Указаннаяособен­ностьзренияиспользуетсявметодахсжатияпостандартамJPEGиMPEG.Вдругихметодахиспользуетсяухудшениегеометрическогоиградацианнагораз­решениязренияпринаблюдениидвижущихсяобъектов.Общаяосновавсехэтихметодов-ограниченностьпропускнойспособностизрениякаксистемыпередачииобработкиинформации.

Применениеразличныхспособовсжатияинформации,заключеннойвтелеви­

зионномизображении,позволяетнетолькопередаватьцифровойтелевизион­ныйсигналобычнойчеткостипостандартнымканаламтелевизионноговещания,ноидобитьсявозможностипередачипоэтимканаламодновременнонесколькихпрограммтелевиденияобычнойчеткости,сигналовновыхсистемтелевидениявысокойчеткости,атакжепередачицифровыхтелевизионныхсигналовпокана­ламсвязисболееузкойполосойчастот,чемстандартныевещательныеканалы.Соотношениепотоковинформацииитребуемыхзначенийширинычастотногодиапазонапропусканияканаловсвязииллюстрируетсярис.4.2.

Методысжатияизображенийможноразделитьнадвакласса:методысжа­

тиябезпотерьинформациииметодысжатиясчастичнойпотерейинформа­ции.Присжатиибезпотерьпоследекомпрессииполучаетсяизображение.идентичноеисходному.Примерамитакихметодовмогутслужитьразличныеалгоритмыархивированияизображений,применяемыеввычислительнойтех­никеиоснованныенауменьшениистатистическойизбыточности.Возможностисжатияреальныхцветныхилиполутоновыхчерно-белыхизображенийбезпо-

терьвесьмаограничены.Так,путемпреобразованиязаписанноговпамятикомпьютераизображениявформатGIF,являющийсяоднимизнаиболееэф­фективных.объемпамяти.занимаемыйреальнымизображением,сокращаетсявсреднемв2...3раза.чтоявнонедостаточнодлярешениязадач,стоящихвобластицифровоготелевидения.

Гораздобольшегоэффектапозволяютдостичьметодысжатиясчастичнойпотерейинформации.Какбудетпоказанодалее,спомощьюметодаJPEGможноуменьшитьобъеминформацииреальногонеподвижногоизображенияв5...1Оразбеззаметногоухудшениявизуально-воспринимаемогокачестваде­кодированныхизображений.

Возможноиещебольшеесжатие,ноприэтомуженачинаютнаблюдатьсязаметныеискаженияизображения.ПрисжатиителевизионныхизображенийпостандартамMPEG-1иMPEG-2достигаетсяуменьшениеобъемаинформациив20иболееразблагодарясокращениюкакстатистической,такипсихофизиоло­гическойизбыточности.

Jo..

1

АЦП Кодер ^....

>

".

Аналогавыи ^Сжатый

_сигнал ^{Цифров цифровой}

сигнал сигнал

Рис.4.2.Соотношенияпотоковинформациивразныхчастяхсистемыцифровоготелевидения

Сжатиенеобходимоидляпередачивцифровойформесигналовзвуковогосопровождения.Какбылопоказановыше(см.табл.2.5),причастотедискрети­зации44,1кГци16разрядахАЦПскоростьпередачидвоичныхсимволовсо­ставляетоколо0,7Мбит/снаодинзвуковойканал.Дляпередачистереофони­ческогозвуковогосопровождениябезсжатияпотребуетсяполосачастотпоряд­ка700кГц,чтопримернов16разбольше,чемдляаналоговогосигнала.Мето­дысжатиязвука,используемыевстандартахMPEG-1иMPEG-2,основанынаучетесвойствчеловеческогослухаиотносятсякметодамсжатиясчастичнойпотерейинформации.Присжатииотбрасываетсязначительнаячастьинфор­мации,нокачествовоспроизводимогозвукаостаетсядостаточновысоким.Следовательно,сжатиедостигаетсявосновномзасчетуменьшенияпсихофи­зиологическойизбыточности.