1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Целью выполняемой расчётно графической работы является разработка тракта телевизионной камеры от объектива до блока кодирования.

1.1. Исходные данные

Исходные данные выбираются для варианта номер 4: 1. Кадровая частота fz

2.1. Структурная схема разрабатываемого устройства

Ниже, на рисунке 2.1.1 представлена структурная схема разабатываемого устройства.

сигнала, то есть больше 2.5 fz.

2. Частота дискретизцации должны быть кратна частоте кадров fz и частоте

следования строк fs.

Исходя из этих условий, частота дискретизации для яркостной состалвяющей будет равна:

2.4. Выбор матрицы камеры

Необходимо выбрать матрицу для разрабатываемого устройства, исходя из следующих параметров:

1.Разрешение матрицы должно быть не меньше заданного (250х445);

2.Частота кадров камеры на заданном разрешении должна быть не ниже заданной;

3.Необязательным условием является вывод матрицей аналогового сигнала.

Под описанные условия подходит матрица ARX3A0 производства Onsemi, со

следующими характеристиками:

1. Кадровая частота: 360 кадров/секунда;

2.Разрешение 560х560 пикселей;

3.Размер стороны пикселя n 2.2 микрометра.

2.5. Расчёт оптических параметров

Необходимо рассчитать значение коэффициента диафрагмы K для каждой из цветовых составляющих: KR, KG, KB. Для этого необходимо задаться значением

длины волны для каждого из цветов. Так как цветопередача матрицы не идеальна, значения длин волн для каждого из цветов выбираются отличными от граничных:

2.6. Синтез аналогового фильтр нижних частот

Синтез аналогового ФНЧ осуществляется на основе рекомендации МСЭ-R BT.709-6. Требования к АФНЧ представлены ниже.

Рисунок 2.6.1 Q Требования к синтезируемому фильтру

Так как при одинарной частоте дискретизации редко можно добиться малых порядков синтезируемых фильтров, применяется двухкратный оверсемплинг частот дискретизации для яркостной и цветоразностных составляющих. То есть фактическая частота начала полосы задержания равняется частоте дискретизации, а не её половине. Итого, частоты для фильтров следующие:

Однако, так как требований по ГВЗ не возможно было добиться на таких

частотах, они были увеличины.

Также требования к групповому времени задержки также предъявляются с учётом оверсэмплинга. То есть максимальное ГВЗ для синтезируемого фильтра для яркостной составляющей должно быть равно = 6.547619047 ns, а для синтезируемого фильтра для цветоразностных составляющих = 13.09523809 ns.

Синтез фильтров осуществлялся в программе MicroCap 12. Результаты синтеза предсталвенны ниже.

Рисунок 2.6.2 Q Схема АФНЧ для яркостной составляющей сигнала

Рисунок 2.6.3 Q Графики анализа синтезируемого АФНЧ для яркостной составляющей

Рисунок 2.6.4 Q Схема АФНЧ для цветоразностных составляющих

Рисунок 2.6.3 Q Графики анализа синтезируемого АФНЧ для яркостной составляющей

2.7. Выбор АЦП

Выбор АЦП осуществляется исходя из следующи критериев:

1.Разрядность АЦП не ниже 10 бит на отсчёт;

2.Частота следования отсчётов АЦП должна быть не ниже частоты

дискретизации.

По вышеописанным критериям был выбран АЦП ADS6124 производства

Texas Instruments. Это 12 битный АЦП с максимальной частотой следования отсчётов 105 MГц.

Рисунок 2.7.1 Q Пример схемы поделючения АЦП

2.8. Расчёт каскада согласования

Цель каскада согласования Q согласовать выход фильтра нижних частот с требованием к входному сигналу АЦП.

Так как матрица подаёт на выход сигнал 0.8В, после фильтра он становится равным 0.4В, а выбранный АЦП требует входного сигнала размахом 2 В, каскад согласования должен обладать коэффициентом усиления равным:

KU_n d5.000000000 (17)

Для каскада согласования был выбран усилителный неинвертирующий каскад на операционном усилителе. В качестве операционного усилителя был выбран операционный усилитель LM7171 производства Texas Instruments.

Принципиальная схема каскада согласования представлена ниже.

Так как необходимо зафиксировать одно из значений для возможности расчётов, значение сопротивления Roc равным 24.3 кОм.

Или 97.6 кОм по ряду Е96.

Разделительный конденсатор необходим для отсечения низкочастотных помех с частотами, меньше кадровой. Тогда величину ёмкости Cp можно рассчитать по следующей формуле:

1

Cp O2$pi$fz$R1

FIR Impulse Response

0.6

0.5

0.4

0.3

Amplitude

0.2

0.1

0

Sample

L0.1

Рисунок 2.9.4 Q График импуьсной характеристики ЦФНЧ

Втаблице столбцы отображают следующее:

1.Level – обозначение уровня.

2.Max Luma Sample Rate – максимальная частота следования отсчётов яркостной составляющей.

3.Max Luma Picture Size – максимальный размер расширенного кадра.

4.Max Bitrate – максимальный битрей видео потока.

5.Max CPB Size – максимальный размер буфера для четырёх последовательных кадров.

6.Min Compression Ratio – минимально возможная степень сжатия видео.

7.Max Number of Tiles – максимальное количество «плиток» на один кадр. Минимальный размер «плитки» по ширине – 256 пикселей, а максимальный – 4096 пикселей.

8.Min Alt-Ref Distance – минимальное расстояние в кадрах между двумя последовательными кадрами-референсами.

9.Max Reference Frames – максимальное количество референсных кадров в кадровом буфере.

10.Max Width and Height for Luma Picture – максимальный размер кадра яркости.

11.Example Frame Size and Display Rate – пример размера кадра и fps для каждого уровня работы кодека.

3.2Краткое описание принципа работы кодека

Вработе кодека, в общем, выделяются четыре основных принципа:

•Предсказание содержимого блоков;

•Вычисление разницы между предсказанием и опорными кадрами;

•Преобразование и квантование полученной разницы;

•Кодирование полученных квантованных значений.

VP9 – блочный кодер. Максимальный размер блока – 64х64 пикселя, причём каждый блок может рекурсивно разбиваться на меньшее блоки (пример на изображении ниже).

Рисунок 3.2.1 – Структура блоков кодирования

Кодер адаптивно выбирает размер блока в зависимости от опознанных областей изображения: большие блоки выбираются в случае однородности кодируемой области; меньшие блоки – в случае распознавания движения или мелких деталей.

Кодер использует как внутрикадровую, так и межкадроввую модели предсказания. Для обоих предсказаний используются опорные кадры, коих может храниться до восьми штук. При этом, каждый блок может использовать либо один опорный кадр, либо их пару.

При внутрикадровом предсказании кодер автоматически выбирает направление предсказания из одного из доступных: горизонтальное, вертикальное, диагональное (45°) или произвольно-угловое. При этом вычисляется разница между опорным кадром и предсказанным. Кодируется только сама разница, которая, обычно, содержит куда меньшие значения, чем сама информация в пикселе.

При межкадровом предсказании происходит поиск кодируемого блока в опорном кадре, с дальнейшим описанием блока с помощью вектора движения. Вектор движения должен описывать координатное смещение объектов в блоке.

Как говорилось ранее, кодер работает только с вычисленной разницей между кадрами. Соответственно, к ней и применяются преобразования, переводящие кадр из области пространственной в область частотную. Кодер адаптивно выбирает между ДКП (Дискретным Косинусным Преобразованием) и ДАСП (Дискретным Асимметричным Синусным Преобразование). Также к преобразований существуют различные параметры размеров:

•4х4;

•8х8;

•16х16;

•32х32.

Преобразование применяются отдельно по строкам и столбцам.

Квантование происходит с учётом коэффициента квантования – константы, на которую делятся все полученные при дискретных преобразованиях значения. Коэффициент квантования может быть равен единице, что будет означать сжатие без потерь. Отличные от единицы значения соответствуют сжатию с потерями. Квантованные значения упорядочиваются по принципу: сначала коэффициенты низких частот, далее – высоких.