6.2.5. Выбор параметров преобразования

Число уровней квантования, необходимое для высококачественного раздельного кодирования составляющих цветового ТВ сигнала, определялось экспериментально. Очевидно, что с ростом этого числа точность передачи уровневой информации возрастает, шумы квантования снижаются, но за это приходит­ся расплачиваться соответствующим ростом информационного потока и расширением необходимой для передачи полосы частот. Это крайне нежелательно, и все усилия специалистов направле­ны, по объективным причинам, в противоположную сторону – максимально возможного снижения информационного потока. 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.

Механизм возникновения ложных контуров поясняется на  рис.2.6. После декодирования  вместо пилообразного сигнала воспроизводится ступенчатый. Все хорошо, если передаваемые ступенькой перепады яркости находятся за пределами чувстви­тельности глаза. В противном случае, когда глаз видит эти перепады яркости, каждая ступенька начинает восприниматься как самостоятельный элемент изображения, в данном случае, в виде вертикальных полос с разной контрастностью или насыщен­ностью серого. Таким образом, на границах перехода от одной ступеньки к другой возникают ложные контура, которые отсут­ствуют в изображении при воспроизведении исходного пилооб­разного сигнала.

Пороговая чувствительность глаза к перепадам яркости в условиях наблюдения, обычных при просмотре ТВ программ, по экспериментальным оценкам составляет около 1 %, а это значит, что два соседних фрагмента изображения, отличающихся по яркости на 2 %, воспринимаются как раздельные части изображения [13]. 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. Бли­жайшим числом, являющимся степенью двух и превышающим 100, будет 128, а длина соответствующего кодового слова – 7 бит. Это минимальная длина кодового слова, при которой ложные конту­ры не видны.

Чтобы сделать окончательный выбор, следует оценить уро­вень шумов квантования. Известна очень простая и удобная для устных подсчетов формула: отношение сигнал/шум квантования (невзвешенное), выраженное в децибелах, приблизительно рав­но произведению 6 дБ на длину кодового слова. Для рассматри­ваемого случая это отношение 6 дБ х 7 = 42 дБ. Очевидный не­достаток семиуровневого квантования заключается в опасной близости к порогу по шумам и ложным контурам.

Дальнейшие исследования показали, что для высококачес­твенного раздельного кодирования нужно, как минимум, 8-бито­вое квантование. Оно-то и вошло в первые редакции Рекомен­даций и Стандартов МККР. Важно было и то, что 8-битовое коди­рование соответствовало техническим возможностям того време­ни. Однако сейчас прогресс интегральной технологии позволил начать промышленный выпуск 10-разрядных аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей для кодирования ТВ сигна­лов, что позволило разработчикам студийной аппаратуры особо высокого класса качества перейти от 8-разрядного к 10-раз­рядному раздельному кодированию. Дело в том, что по ряду от­ветственных операций, например: микширования, рир-проекции, монтажа, 8-битовое уровневое квантование не обеспечивает требуемого качества, а по некоторым коррекциям (в цифровых ТВ камерах) необходимо 14-битовое квантование.

Для цветных изображений соответственно необходима оциф­ровка трех составляющих (YUV или RGB), что соответствует зада­нию 16,78 млн. различных цветовых оттенков. При этом гово­рят о представлении в реальных цветах – true-color. Отметим, что понятие hi-color подразумевает RGB-представление в фор­мате 5:5:5 (15 бит, 32768 цветов) или 5:6:5 (16 бит, 65536 цветов).

При линейном 8(10)-битовом кодировании имеется 256 (1024) уровней квантования, которым присваиваются номера 0-255 (0-1020). При этом уровни с номерами 0 и 255 при 8-битовом кодировании и уровни 0,1,2,3 и 1017, 1018, 1019 и 1020 при 10-бнтовом квантовании не используются, а соответствующие им кодовые слова предназначены для передачи сигналов цифровой синхронизации синхрослов начала активной строки (НАС) и конца активной строки (КАС).

 

Рис. 2.8. Фиксирование уровней сигналов

 

Как упоминалось выше, некоторые уровни квантования и соответствующие им кодовые слова привязаны к стандартным уровням в составе видеосигнала. Например, уровень 16(64) привязан к уровню черного (рис.2,8). Уровень 235 (940) соответствует номинальному значению уровня белого в сигнале яркости. Уровни 235 - 254 (940-1016) и 16 - 1 (64 - 4) используются как защитные. Сигнал яркости может иногда на короткое время заходить в эти области, например, при нали­чии выбросов на фронте и срезе импульса.

В отличие от сигнала яркости цветоразностные масштаби­рованные сигналы голубого и красного симметричны относи­тельно некоторого среднего значения сигнала и имеют тот же размах, что и сигнал яркости. К уровню симметрии (нулевому) цветоразностных сигналов привязан 128 (512) уровень шкалы квантования. Уровни цветоразностных сигналов передаются 16 (64) - 240 (960) уровнями шкалы квантования.[7].

Частота оцифровки – частота дискретизации видеосигнала, определяющая получаемое разрешение изображения. Выбирая частоту дискретизации, естественно стремятся к минимальным различиям кодированных сигналов стандартов разложения 625/50 и 525/59,94. Близость значений частот строчной развертки 15625 Гц (для систем SECAM и PAL) и 15734.264 Гц (для системы NTSC) позволяет выбрать одинаковое число отсчетов в активной части ТВ строк обоих стандартов ТВ разложения – тех, что воспроизводятся из экране телевизора. При таком выборе можно пытаться устранить процедуру передискретизации (интерполяции) отсчетов вдоль строки при преобразовании стандартов разложения. Это условие выполняется, если частота дискретизации сигнала яркости кратна частотам строк. Таким образом, остается определить наименьшее общее кратное. Оказалось – это 1,25 MГц. Кроме того, частота дискретизации должна удовлетворять требованиям теоремы отсчетов, согласно которой она должна в два раза превышать верхнюю частоту кодируемого сигнала, т.е. быть не менее 6 MГц х 2 = 12 МГц. Ближайшая частота, которая удовлетворяет двум этим требованиям 2,25 МГц х 6 = 13,5 МГц. Именно она и была, в конце концов, принята в качестве частоты дискретизации сигнала яркости в иерархии единых студийных стандартов цифрового кодирования, где опорная частота равна 3,375 МГц. Эта частота совпадает с 864 (или 858) гармоникой частоты строк системы с 625- (или 525) строчным разложением изображения. Поэтому в полной строке будет 864 (858) отсчетов сигнала яркости [11].

Разработчики стандарта пошли дальше и постановили, что в обоих стандартах разложения  следует использовать одно чис­ло отсчетов – 720.

При цифровом кодировании синхроимпульс исключается из состава цифровой ТВ строки, поскольку передаваемая им инфор­мация о частоте строк легко восстанавливается в декодере по частоте дискретизации, так как последняя жестко связана с частотой строк. При этом, как отметили выше, для опознавания интервалов активной части ТВ строки в цифровой последовательности вводятся две опорные временные метки - синхрогруппа начала активной строки и ее конца.

Два стандарта телевизионного разложения родили клубок проблем, распутать который долгое время казалось невозмож­ным. На первых порах и от цифрового кодирования не ждали ни­чего чрезвычайного, но внимательное изучение цифровых соот­ношений показало, что на уровне стандартов цифрового кодиро­вания возможно создание единой иерархической системы стан­дартов, снимающей не все, но очень и очень многие проблемы. Этот интересный и важный вопрос, которого мы касались выше, заслуживает более детального рассмотрения.

Для    системы PAL/SECAM  приняты  следующие стандарты:

Стандарт оцифровки	Частота оцифровки, МГц	Размер изображения
CCIR 601	13,50	720 x 576
Квадратурный	14,75	768 х 576
CCIR 656	27,00	1440 x 576

Здесь «Квадратный пиксель» означает, что ширина пикселя равна его высоте.

Как уже отмечалось, при YUV представлении видеосигнала цветоразностные компоненты U и V передаются с пространственным разрешением, в два раза меньшим разрешения по яркостному сигналу. Это позволяет осуществлять их выборку с часто­той, в два раза меньшей частоты выборки яркостного сигнала без видимой потери качества. Обычно такую оцифровку описы­вают как 4:2:2 (Рекомендация 601 МККР)