Контрольные вопросы

1. Что такое дискретизация и квантование аналоговых сигналов?

2. Что такое децимация (прореживание) и интерполяция?

3. В чём проявляются искажения изображения при нарушении условия теоремы Котельникова?

4. Что такое пространственная частота?

5. Зачем перед квантованием выполняют гамма-коррекцию ТВ- сигналов?

6. Что означают записи «4:2:2» и «4:2:0»?

7. Вычислите скорость передачи цифрового потока для различных форматов дискретизации.

Глава 2 основные элементы цифрового преобразования сигналов изображения в аппаратуре сжатия цифрового потока

2.1. Формирование цифрового телевизионного сигнала

Формирование ЦТВС осуществляют с применением специальных интегральных схем аналого-цифрового преобразования (ИС АЦП), на выходе которых исходный ТВС аналогового типа преобразуют в параллельный, например, восьмиразрядный код. При этом максимально возможная частота следования отсчётов в каждом из разрядов кода определяется частотой дискретизации ТВС.

Соответственно, исходный ТВС периодически, с частотой дискретизации F_d, заменяют в пределах последовательности строк и кадров исходного ТВС мгновенными отсчётами разрядов двоичного кода. Уровень ТВС в момент отсчёта представлен в таком случае числом следующего вида:

x = ….+ a₈2⁷ + a₇2⁵ + a₅2⁴ + a₄2³ + a₃2² + a₂2¹ + a₁2⁰.

При этом a_i отражают значения разрядов двоичного кода. Число значений двоичного кода определяется числом разрядов параллельного двоичного кода.

В случае, когда старший разряд определяется наличием a₈, возможное число значений двоичного кода определяется величиной

N = …1∙2⁷ + 1∙2⁶ + 1∙2⁵ + 1∙2⁴ + 1∙2³ + 1∙2² + 1∙2¹ + 1∙2⁰ = 255,

то есть соответствует коду 11111111 числа N=255.

2.2. Основные характеристики и параметры цифрового кодирования видеосигналов

В 1982г. Международный консультативный комитет по радио (МККР) принял рекомендацию по цифровому кодированию видеосигналов, в число последовательных функциональных операций которого, как указывалось выше, входят:

– дискретизация – приближенное периодическое представление видеосигнала во времени фиксированным (в единицу времени) количеством мгновенных отсчётов (пикселов) или выборок, следующих соответственно с постоянной частотой дискретизации;

– квантование – приближенное представление амплитуд каждого из полученных отсчётов конкретным числом дискретных шагов квантования, выбранным в пределах заданного диапазона (максимально-допустимого числа) шагов квантования;

– собственно преобразование результатов дискретизации и квантования в двоичный параллельный код, число и изменения значений разрядов которого позволяют последовательно во времени, с частотой дискретизации, отражать указанное приближенное представление уровней мгновенных отсчётов текущего видеосигнала [7].

Выбор частоты дискретизации и уровней квантования

При этом в базовом стандарте МККР были выбраны частоты дискретизации (F_d) сигнала яркости и каждого из двух цветоразностных сигналов в пределах прямого хода строк соответственно 13,5 и 6,75 МГц, т.е. указанные частоты находятся в соотношении 4:2:2 (на четыре пиксела текущего сигнала яркости приходится в данном случае по два пиксела каждого цветоразностного сигнала). Последнее соотношение имеет место в условиях реализации раздельного кодирования, когда АЦП подвергают разделённые сигнал яркости и цветоразностные сигналы с последующим их мультиплексированием в цифровом виде. Другим возможным вариантом является совместное кодирование, для которого характерно АЦП полных сигналов систем вещательного цветного телевидения (ЦТ).

Как известно, значения полос частот сигнала яркости составляют: 4,2 (стандарты M, N), 5 (стандарты B, G, H), 5,5 (стандарт I), и 6,0 МГц (стандарты D, K, K1, L). Полоса частот сигнала определяет максимально-возможное значение частоты дискретизации и требования к быстродействию АЦП. Выбранная МККР частота дискретизации соответствует теореме Котельникова, т.е. в данном случае для всех указанных выше стандартов частота дискретизации более чем в два раза превосходит по величине верхние граничные частоты (F_h) преобразуемых в цифровой вид ТВС. Отношение верхней граничной частоты F_h =6,0 МГц (стандарты D, K, K1, L) и частоты дискретизации F_d =13,5 МГц составляет величину – 2,25. Данное отношение определяет основные требования к характеристикам фильтра нижних частот (ФНЧ), ограничивающего протяжённость спектра видеосигнала перед его дискретизацией с частотой F_d =13,5 МГц. Дискретизация сигнала, в частности, сопровождается резким усложнением структуры результирующего спектра, в котором наряду с основным спектром (составляющая, соответствующая структуре спектра исходного ТВС) появляются, так называемые, побочные спектры. Побочные спектры отличаются от основного (зафиксирован в начале координат, т.е. в точке с частотой F=0) смещением в спектральной области на частоту F_d =13,5 МГц и её гармоники. Амплитуды побочных спектров обычно падают по отношению к основному с увеличением номера гармоники. Степень такого падения тем выше, чем большим является протяжённость мгновенной выборки и усреднение (в пределах протяжённости выборки) ТВС в процессе периодической дискретизации с частотой F_d.

Выбор числа уровней квантования ТВЧ сигнала основан на субъективном восприятии изображения человеческим глазом. Еще несколько лет назад вполне достаточным казалось использовать 256 уровней для квантования телевизионного видеосигнала. Сейчас считается нормой квантовать видеосигнал на 1024 уровня. Длина кодового слова - 10 двоичных разрядов - битов (в первоначальном варианте - 8 битов), что и позволяет перенумеровать 1024 уровня квантования. Однако числа 0..3 и 1020..1023 резервируются для цифровых синхронизирующих сигналов. Для квантования яркостного сигнала выделяется 877 уровней (значение черного в видеосигнале соответствует уровню квантования 64, а номинальное значение белого - уровню 940).