3.2.4 Передача цифровых телевизионных сигналов по каналам связи.

Задача сжатия видеоинформации

Цифровой телевизионный сигнал в последовательной форме может непосредственно передаваться по каналам связи, предна­значенным специально для передачи дискретных сигналов, напри­мер, по широкополосным многоканальным линиям телеграфной связи с временным разделением каналов. В последние годы все шире используются широкополосные цифровые линии связи. Для цифрового телевизионного вещания могут использоваться и кана­лы связи с модуляцией несущего колебания.

Возможность точной передачи цифрового сигнала в первую очередь определяется отношением Сигнал/Помеха (С/П) в канале связи. Возникновение ошибок иллюстрируется на рисунок 3.65

Рисунок 3.65 - Возникновение ошибок в цифровом канале связи

268

Импульсы тактовой частоты (рисунок 3,65,а) не передаются показаны, чтобы можно было судить о положении отдельных битов в передаваемом сигнале

(рисунок 3,65). В первом варианте ка­нала связи отношение С/П равно 6 (рисунок 3,65,в). В приемнике об­работка сигнала выполняется пороговым устройством с порогом, расположенным посередине между верхним и нижним уровня принятого сигнала. В результате обеспечивается безошибочный прием (рисунок 3,65,г).

Во втором варианте канала связи отношение С/П равно 3 (рисунок 3,65,д). В этом случае после пороговой обработки в принятом сигнале имеется много ошибок, имеющих вид ложных переходов с верхнего уровня на нижний и обратно. Из-за этого невозможно обеспечить правильное выделение тактовой частоты из принятого сигнала и правильное определение значений передаваемых двоич­ных символов.

Оценим ширину полосы частот цифрового сигнала в после­довательной форме и требуемую для его передачи ширину полосы частот канала связи. Рассмотрим периодическую последователь­ность прямоугольных импульсов, имеющих период Т=2Т_И. Спектр такого сигнала содержит постоянную составляющую, основную гармонику частоты 1/Т и постепенно убывающие нечет­ные гармоники этой частоты. Следовательно, спектр идеального импульсного сигнала неограничен.

Если ограничить полосу частот такого сигнала с помощью ФНЧ с достаточно крутым срезом АЧХ, форма импульсов будет искажена (рисунок 3.66 ), так как часть частотных составляющих спек­тра окажется подавленной. Искажения проявятся в виде увеличе­ния длительности нарастания и спада импульса и возникновения колебательного переходного процесса. Это будет причиной огра­ничения допустимой частоты передаваемого импульсного сигнала, т. е. ограничения скорости передачи двоичных символов по каналу связи.

Рисунок 3 .66 - Искажение формы импульсов в канале связи

Длительность нарастания импульса t_H связана с верхней гра­ничной частотой ФНЧ f_в соотношением

h = 1 / (2f_в).

Если длительность входного импульса меньше t_B, амплитуда импульса на выходе ФНЧ станет уменьшаться. Этот случай пока­зан на рисунок 3 штриховой линией. При достаточно малой дли­тельности импульсов, их амплитуда на выходе канала связи станет сравнимой с уровнем помех, что приведет к ошибкам работы при­емного устройства.

Выбросы и колебательные переходные процессы, возни­кающие при передаче импульсов, также ограничивают частоту пе­редаваемых по каналу связи

269

импульсов. Если эта частота слишком велика, колебательный переходный

процесс, созданный одним импульсом, будет накладываться на следующий импульс. Возни­кает помеха, называемая интерференционной, которая может

при­вести к ошибкам приема. Изложенные причины приводят к известному еще с ранних работ по теории связи условию: по каналу связи с шириной

поло­сы пропускания ∆f можно передавать в виде двухуровневых им­ пульсов бит информации за 1 с. То есть эффективность ис­пользования полосы частот канала связи составляет 2 (бит/с)/Гц. Следовательно, для передачи в последовательной форме цифрово­го телевизионного сигнала со скоростью передачи двоичных сим­волов 243 Мбит/с необходим канал связи с шириной полосы час­тот 121,5 МГц. Ясно, что ни стандартный канал наземного телеви­зионного вещания, имеющий ширину полосы 8 МГц, ни спутнико­вый канал связи, имеющий ширину полосы 27 МГц, непригодны для передачи цифрового телевизионного сигнала. Это относится и к цифровым телевизионным сигналам стандартов, применяемых в видеосвязи даже при пониженной частоте кадров. А для передачи телевизионных сигналов высокой четкости необ­ходима еще более широкая полоса частот.

Поэтому одной из важнейших задач в области цифрового те­левидения была задача сокращения скорости передачи двоичных символов и, соответственно, требуемой полосы частот канала свя­зи. Эта задача может быть решена путем уменьшения избыточно­сти информации, передаваемой в телевизионном сигнале. Умень­шение избыточности обеспечивает также уменьшение требуемого объема ЗУ при записи телевизионных программ или отдельных изображений. В соответствии с установившейся в технической ли­тературе терминологией уменьшение объема передаваемой ин­формации в ряде случаев будем называть сжатием видеоинформа­ции, а также сжатием изображений, сжатием звуковых сигналов, сжатием речи и т.д. Обратную операцию будем называть расшире­нием, хотя это звучит не привычно. В англоязычной литературе используется термин compression, а для обратной операции -decompression. Русское произношение, этих терминов компрессия и декомпрессия также используется в ряде случаев в этой книге.

Избыточность телевизионного сигнала разделяется на струк­турную, статистическую и психофизиологическую.

Структурная избыточность связана с наличием в обычном телевизионном сигнале гасящих импульсов, во время которых информация об изображения не передается. Структурная избыточность телевизионного сигнала может быть уменьшена путем передачи во время гасящих импульсов какой-либо полезной информа­цией, например - звукового сопровождения, однако большого вы­игрыша это не дает.

Статистическая избыточность вызывается наличием кор­реляционных связей между значениями сигнала в соседних эле­ментах одной строки, в соседних строках и в соседних кадрах. Со­кращение статистической избыточности достигается путем

устра­нения указанных корреляционных связей. Одним из наиболее из­вестных методов сокращения статистической избыточности явля­ется кодирование с предсказанием или дифференциальная импульсно - кодовая модуляция (ДИКМ), основанная на передаче

270

приращений значений сигнала.

Психофизиологическая избыточность телевизионного сиг­нала определяется той информацией в нем, которая не восприни­мается человеком и, следовательно, могла бы и

не передаваться. Психофизиологическая избыточность сокращается за счет удале­ния из передаваемого сигнала информации, отсутствие которой не влияет существенно на восприятие изображения человеком.

Примером метода сокращения психофизиологической избы­точности может служить способ кодирования Кретцмера, в соот­ветствии с которым при передаче крупных деталей изображения количество градаций яркости увеличивается, а при передаче мел­ких деталей - уменьшается. Этот способ основан на использовании обратно пропорциональной зависимости между геометрическим и градационным разрешением зрительного аппарата человека. При восприятии мелких деталей ухудшается различие градаций ярко­сти. В других методах используется ухудшение геометрического и традационного разрешения зрения при наблюдении движущихся объектов. Общая основа всех этих методов - ограниченность про­пускной способности зрения как системы передачи и обработки информации.

Применение различных способов сжатия информации, за­ключенной в телевизионном изображении, позволяет не только передавать цифровой телевизионный сигнал обычной четкости по стандартным каналам телевизионного вещания, но и добиться возможности передачи по этим каналам одновременно нескольких программ телевидения обычной четкости, сигналов новых систем телевидения высокой четкости, а также передачи цифровых теле­визионных сигналов по каналам связи с более узкой полосой частот, чем стандартные вещательные каналы. Соотношение потоков информации и требуемых значений ширины полосы пропускания каналов связи иллюстрируемся рисунок 3 .67.

Рисунок 3.67 - Требования к каналам связи в системе цифрового телевидения

Методы сжатия изображений можно разделить на два клас­са: методы сжатия без потерь информации и методы сжатия с частичной потерей информации. При сжатии без потерь после декодирования получается изображение, идентичное исходному. Примерами таких методов могут служить различные алгоритмы архивирования изображений, применяемые в вычислительной тех­нике и основанные на уменьшении статистической избыточности. Возможности сжатия реальных цветных или полутоновых черно-белых изображений без потерь весьма ограничены. Так путем пре­образования записанного в компьютере изображения в формат GIF, являющийся одним из наиболее компактных и эффективных, объем

271

информации сокращается в среднем в 2-3 раза, что явно недостаточно для решения задач, стоящих в области цифрового телевидения.

Гораздо большего эффекта позволяют достичь методы сжа­тия с частичной потерей информации. Как будет показано далее, с помощью метода JPEG можно

уменьшить объем информации ре­ального неподвижного изображения в 5-10 раз без заметного ухудшения визуально воспринимаемого качества декодированных изображений. Возможно и еще большее сжатие, но при этом уже начинают наблюдаться заметные искажения изображения. Полу­чение минимального объема передаваемой или запоминаемой ин­формации при сохранении достаточно высокого качества изобра­жения является одной из главных задач при поиске новых алго­ритмов сжатия.

Дифференциальная импульсно-кодовая модуляция (ДИКМ), представляющая собой еще один из методов эффективного кодирова­ния цифрового телевизионного сигнала, в основном применяется при сокращении его временной избыточности. Как известно, в большин­стве случаев содержание двух соседних во времени телевизионных кадров мало отличается друг от друга. Отличие заключается толь­ко в положении отдельных подвижных фрагментов изображения. В основном же в этих кадрах содержится очень много одинаковых обла­стей, информацию о которых многократно передавать нецелесообраз­но. Можно ограничиться передачей значений только одного кадра, а содержание последующих, используя статистические законы, пред­сказать, т.е. вычислить на приемном конце системы.

Однако как бы ни были близки по содержанию соседние кадры, как бы ни был совершенен их статистический анализ, предсказание может нести в себе ошибку

а) б)

а — кодер; б— декодер; а_п — текущее значение сигнала: â_п — предсказанное

значение сигнала; (a_n — â_п)—сигнал ошибки

Рисунок 3 .68 - Структура системы ДИКМ

Эта ошибка для каждого элемента изо­бражения обязательно учитывается и корректируется. Только при этом условии на приемном конце системы воссоздается изображение, соответствующее оригиналу. Отсюда вытекает следующий принцип кодирования предсказанием: передача в каждом отсчете

272

кодированной разности между текущим истинным значением сигнала и предсказанным. Эту разность называют ошибкой предсказания. Чем точнее сделано пред­сказание, тем меньший объем данных будет содержаться в подлежа­щем передаче разностном сигнале. Логично ожидать, что этот объем будет меньше, чем в полном отсчете.

Чтобы сформировать необходимый для передачи сигнал ошиб­ки

предсказания, на передающем конце системы устанавливается устройство предсказания и вычитающий каскад (рисунок 3.68). На при­емном конце системы исходный сигнал восстанавливается сложением предсказанного и принятого сигнала ошибки предсказания. Устрой­ства предсказания на обоих концах системы для правильного вос­становления в приемнике исходных значений сигнала должны быть одинаковыми.

Предсказание, применяемое в системе, может быть организова­но различными способами и с разной степенью сложности. Однако вполне хорошие результаты по глубине достигаемой компрессии ре­ализуются весьма простым способом, когда в качестве сигнала пред­сказания используются значения предыдущего кадра.

Статистические исследования показали, что свойства телевизи­онного изображения, обусловленные меж кадровыми связями, в це­лом аналогичны пространственным свойствам в неподвижном изо­бражении. А коэффициенты корреляции в соседних кадрах получа­ются зачастую даже большими, чем для соседних пикселей в одном кадре. Отсюда следует вывод о целесообразности обработки раз­ностного сигнала ДИКМ .