Учебники / Цифровое телевизионное вещание под редакцией Г. В. Мамчев, 2014

Одновременно применение гребенчатой фильтрации при кодировании

телевизионных сигналов может приводить к уменьшению вертикального

разрешения. В силу отмеченных недостатков шахматная структура дискре­

тизации, несмотря на свои достоинства, в вещательном телевидении не ис­

пользуется.

Выбор частоты дискретизации телевизионного сигнала

В вещании практическое применение получила фиксированная орто­

гональная структура, отсчеты которой расположены на телевизионном эк­ ране вдоль вертикальных линий периодично по строкам, полям, кадрам.

Позволяя суммировать соседние поля чересстрочного разложения без по­ тери разрешающей способности по горизонтали и вертикали, ортогональ­

ная структура дискретизации идеальна для выполнения различных интерпо­

ляций в преобразователях стандартов, аппаратуре видеоэффектов, устрой­ cTBax сокращения избыточности информации. Это обстоятельство явилось

основным при выборе ортогональной структуры для базового стандарта

цифрового кодирования.

Ортогональная структура отсчетов получается при выборе частоты дискретизации, кратной частоте строк. При этом следует учитывать, что в телевизионном вещании еще долго будут использоваться основные стан­

дарты разложения 625/50 и 525/60. В связи с этим параметры цифрового

кодирования телевизионного сигнала необходимо согласовывать с двумя стандартами разложения. Последнее обусловливает следующее требова­

ние: fд должна быть кратна частоте строк систем с разложением на 525 и 625 строк. С другой стороны, эта частота должна быть по возможности

низкой, чтобы не увеличивать скорость передачи цифрового потока. Наи­

меньшее кратное двум значениям строчной развертки fz ( 625 ) =15625 Гц и fz(525)=15734,266 Гц соответствует значению частоты 2,25 МГц. По­

этому для дискретизации телевизионных сигналов подходят частоты 11,25,

13,5 и 15,75 МГц, кратные 2,25 МГц (множители 5, 6 и 7). Из них выбрана

частота 13,5 МГц, поскольку это значение является единственным, которое обеспечивает перечисленные выше требования. Оно дает возможность по­ лучить 864 отсчета в строке с разложением на 625 строк и 858 отсчетов при разложении на 525 строк.

Квантование телевизионного сигнала

В результате ограниченной чувствительности зрительный анализатор различает только конечное число градаций яркости в изображениях. Дан­

ное свойство зрения обусловлено различными факторами, как физически­ ми - флуктуационной характеристикой светового потока, так и психофи­ зиологическими - существованием флуктуаций внутри нервных каналов

зрительного анализатора. Все это позволяет осуществлять квантование

сигнала по амплитуде, которое следует за процессом дискретизации при

преобразовании аналогового сигнала в цифровую форму. Квантование за­

ключается в округлении полученных после дискретизации мгновенных зна­

чений отсчетов до ближайших из набора отдельных фиксированных уров­ ней. Квантование представляет собой дискретизацию телевизионного сиг­

нала не во времени, а по уровню сигнала И(t ) (см. рис. 1.1 в).

Фиксированные уровни, к которым «nривязываются» отсчеты, на­

зывают уровнями квантования. Разбивая динамический диапазон изме­

нения сигнала И(t) уровнями квантования на отдельные области зна­

чений, называемые шагами квантования, образуют шкалу квантования. Следствием этого становится появление в сигнале специфических шумов, называемых шумами квантования, которые обусловлены различием меж­

ду исходными квантованными сигналами и имеют характер нелинейных

искажений. Ошибки квантования или шумы квантования на изображении

могут проявляться по-разному, в зависимости от свойств кодируемого

сигнала. Если собственные шумы аналогового сигнала невелики по срав­

нению с шагом квантования, то шумы квантования проявляются на изо­

бражении в виде ложных контуров. В этом случае плавные яркостные пе­ реходы превращаются в ступенчатые, и качество изображения ухудшает­ ся. Наиболее заметны ложные контуры на изображениях с крупными пла­

нами. Этот эффект усугубляется на подвижных изображениях. Когда соб­

ственные шумы аналогового сигнала превышают шаг квантования, иска­

жения квантования проявляются уже не как ложные контуры, а как шу­

мы, равномерно распределенные по спектру. Флуктуационные помехи исходного сигнала как бы подчеркиваются, изображение в целом начина­ ет казаться более зашумленным.

Обычно используется линейная шкала квантования, при которой раз­

меры зон одинаковы.

Число уровней квантования, необходимое для высококачественного

раздельного кодирования составляющих цветового телевизионного сигна­

ла, определяется экспериментально. Очевидно, что с ростом этого числа

точность передачи уровневой информации возрастает, шумы квантования снижаются, но при этом растет информационный поток и расширяется не­

обходимая для передачи полоса частот. С другой стороны, при занижен­ ном числе уровней квантования ухудшается качество изображения из-за появления на нем ложных контуров. Кроме того, слишком велики, а пото­ му и заметны шумы квантования. Недостаточное число уровней квантова­ ния особенно неприятно сказывается на цветных изображениях. В этом случае шумы квантования проявляются в виде цветных узоров, особенно

заметных на таких сюжетах, как лицо крупным планом, на плавных пере­

падах яркости.

IIороговая чувствительность глаза к перепадам яркости в условиях

наблюдения, оптимальных для просмотра телевизионных передач, по экс­ периментальным данным около 1%, а это значит, что два соседних фраг-

только 220 уровней, а уровню черного и номинальному уровню белого по­ ставить в соответствие уровни 16 и 235. Таким образом, предусматривается запас в 16 уровней «снизу» и 20 уровней «сверху» при положительной по­ лярности видеосигнала. Это различие учитывает неодинаковость воспри­ ятия возникающих помех дискретизации на черном и белом.

Особые назначения имеют О-й и 255-й уровни квантования. С помо­

щью соответствующих им кодов передаются сигналы синхронизации.

Аналого-цифровое преобразование сигнала яркости описывается со­

отношением

YD =Round(219Ey )+16,

где Еу - аналоговый сигнал яркости, изменяющийся в диапазоне от О до 1 В

(штрих, как это принято в технической литературе по телевидению, озна­ чает, что сигнал прошел гамма-коррекцию), уD - цифровой сигнал ярко­

сти, изменяющийся в диапазоне от 16 до 235, Round ( х) - операция округ­

ления числа х до целого.

При квантовании цветоразностных сигналов также предусматривают­ ся резервные зоны - по 16 уровней квантования сверху и снизу. На АЦП

поступают не сами цветоразностные сигналы Ek-y, Е'в-у, а компрессиро­

ванные цветоразностные сигналы, формируемые в соответствии с соотно­

шениями

E CR = 0,713· Ek-y, Есв = 0,564· Е'в-у,

причем значения сигналов ECR и Есв изменяются в диапазоне от -0,5 В

до 0,5 В.

Коэффициенты компрессии взяты из условия, чтобы амплитуды цве­

торазностных сигналов, равные единице, достигались при передаче испы­

TaTeльHыx цветовых полос с 75%-ной яркостью.

Аналого-цифровые преобразования цветоразностных сигналов, в ре­ зультате которых получаются цифровые цветоразностные сигналы CR и Св,

выполняются в соответствии со следующими соотношениями [4]:

Так как цветоразностные сигналы являются двуполярными, и макси­

мальные отклонения от нулевого значения в положительную и отрица­

тельную сторону примерно одинаковы, 128-й уровень квантования должен

соответствовать нулевому значению этих сигналов. Старший бит в цифро­

вом цветоразностном сигнале показывает полярность аналогового цвето­

разностного сигнала.

На рис. 1.1 О показано соответствие между уровнями аналоговых теле­ визионных сигналов и уровнями квантования для обычного тестового изо­ бражения в виде восьми цветных полос.

Таблица 1.1

Назначение двоичных разрядов четвертого байта синхросигналов

Значения F и V изменяются при передаче сигнала КАС в начале каж­

дой цифровой строки. Значения проверочных бит Р3 ... РО, зависящие от

значений Р, V и Н, приведены в табл. 1.2. В последних двух столбцах этой таблицы даны десятичная и шестнадцатеричная записи числа, передавае­ мого в 4-м байте синхросигналов, которое может иметь восемь допусти­ мых значений: 80, 9D, АВ, В6, С7, DA, ЕС и Р1. Проверочные биты позво­ ляют корректировать одиночные и обнаруживать двойные ошибки.

Большая часть длительности строчного гасящего импульса между

синхросигналами НАС и КАС, а именно 280 периодов тактовых импульсов из 288, остается свободной, и в этом интервале можно передавать различ­ ную информацию, например, преобразованные в цифровую форму сигна­

лы звукового сопровождения.

Международные стандарты цифрового преобразования

телевизионных сигналов

Результаты проведенных исследований по цифровому преобразова­

нию телевизионных сигналов вошли в Рекомендацию Международного

консультативного комитета по радио (МККР) 11/601, разработанную в 1982 г. для цифрового телевидения, в которой приводятся значения основ­ ных параметров цифрового кодирования телевизионного сигнала дЛЯ АСК телецентров, работающих со стандартом разложения как на 625 строк, так и на 525. После вхождения МККР в состав МСЭ данная Рекомендация по­ лучила обозначение МСЭ-Р601. В дальнейшем была разработана Рекомен­ дация Международного союза электросвязи МСЭ-Р ВТ.601-5, учитываю­ щая воспроизведение телевизионных изображений как обычного формата, так и широкоэкранных [5]. Данный документ обобщил результаты работы различных исследовательских групп, на основании которых сформулиро­ ваны принципы преобразования аналогового телевизионного сигнала в цифровую форму, используемые всеми производителями современного те­

левизионного оборудования. Рекомендация МСЭ-Р ВТ.601-5 описывает

аналого-цифровое преобразование телевизионного сигнала компонентного

типа, то есть предлагает осуществлять раздельное кодирование яркостного

(Еу ~YD) и цветоразностных (E R-y ~CR) и (Ев-у ~CB) сигналов. При

этом в данной Рекомендации нормируются основные параметры отдель­

ных операций аналого-цифрового преобразования компонент телевизион­ ного сигнала, обеспечивающие вещательное качество формируемого циф­

рового телевизионного сигнала.

При разработке Рекомендации МСЭ-Р ВТ.601-5 значения частот дис­

кретизации выбирались из расчета безыскаженного преобразования в циф­

(твл) и цветоразностных сигналов в полосе частот до 2,75 МГц, дающей

четкость более 214 твл. Для яркостного сигнала Еу частота дискретизации

выбрана 13,5 МГц. С учетом необходимости образования общего цифрово­ го потока и фиксированной структуры отсчетов, выбранная частота дис­

кретизации цветоразностных сигналов равна половине частоты дискрети­

зации сигнала яркости, то есть 6,75 МГц. Следовательно, частоты дискре­

тизации сигналов Еу, ЕR-y, Ев-у могут непосредственно формироваться

из строчной частоты соответствующего стандарта разложения. По анало­ гии с преобразованием композитных телевизионных сигналов систем РAL

и NTSC в цифровую форму, где частота дискретизации выбиралась равной учетверенной частоте цветовой поднесущей (fsc), равной 3,375 МГц, час­ тоту 13,5 МГц называют «четверкой», а частоту 6,75 МГц - «двойкой». Та­ ким образом, совокупность цифровых компонентных видеосигналов в со­ ответствии с Рекомендацией МСЭ-Р ВТ.601-5 описывается формулой «4:2:2», что отражает соотношение частот дискретизации сигнала яркости

Стандарт 4:2:2 определяет также скорость передачи цифровых компо­

нентных видеосигналов, на которую должны ориентироваться разработчи­

ки цифровой аппаратуры и цифровых интерфейсов. Скорость цифрового потока С для цифровых компонентных видеосигналов рассчитывается по

следующему выражению:

С =S( f Ду + f дR-У + f ДВ-У ),