1. Основные положения цифрового представления телевизионного и звукового сигналов

1.1. Принципы цифрового кодирования телевизионного сигнала Общие принципы построения системы цифрового телевидения

Системы цифрового телевидения могут быть двух типов. В системах первого типа, полностью цифровых, преобразование передаваемого изображения в цифровой сигнал и обратное преобразование цифрового сигнала в изображение на телевизионном экране осуществляются непосредственно в преобразователях свет-сигнал и сигнал-свет. Во всех звеньях тракта передачи изображения информация передается в цифровой форме. В цифровых телевизионныхсистемах второго типааналоговый телевизионный сигнал, получаемый с датчиков, преобразуется в цифровую форму, подвергается всей необходимой обработке, передаче или консервации, а затем снова приобретает аналоговую форму. При этом используются существующие датчики аналоговых телевизионных сигналов и преобразователи свет-сигнал в телевизионных приемниках. В этих системах на вход тракта цифрового телевидения поступает аналоговый телевизионный сигнал, затем онкодируется, то есть преобразуется в цифровую форму. Это преобразование представляет собой комплекс операций, наиболее существенными из которых являются дискретизация, квантование и непосредственно кодирование.

Строго говоря, дискретизированный и квантованный телевизионный сигнал уже является цифровым. Однако цифровой сигнал в такой форме по помехозащищенности мало выигрывает по сравнению с аналоговым, особенно при большом числе уровней квантования. Для увеличения помехозащищенности сигнала его лучше всего преобразовать в двоичную форму, то есть каждое значение уровня сигнала записать в двоичной системе счисления. При этом номер (значение уровня квантования) будет преобразован в кодовую комбинацию символов «0» или «1». В этом и состоит третья, заключительная операция по преобразованию аналогового телевизионного сигнала в цифровой, называемая операцией кодирования. Данный способ преобразования получил название импульсно-кодовой модуляции(ИКМ). Для примера на рис. 1.1гпоказан результат преобразования фрагмента исходного аналогового телевизионного сигналав последовательность комбинаций двоичного трехразрядного кода.

Дискретизация

П

Рис. 1.1. Преобразование сигнала из аналоговой формы в цифровую

ервой операцией процесса цифрового кодирования аналогового телевизионного сигнала является его дискретизация, которая представляет собой замену непрерывного аналогового сигналапоследовательностью отдельных во времени отсчетов этого сигнала. Наиболее распространенной формой дискретизации являетсяравномерная дискретизация с постоянным периодом, в основе которой лежит теорема Найквиста-Котель­никова. Согласно этой теореме любой непрерывный сигнал, имеющий ограниченный спектр частот (рис. 1.1а), может быть представлен значениями этого сигнала, взятыми в дискретные моменты времени (отсчеты)(рис. 1.1б), гдеn= 1, 2, 3, … – целые числа;T– период или интервал дискретизации, выбранный из условия теоремы Найквиста-Котельникова:. Здесь– верхняя граничная частота спектра исходного сигнала. (Для отечественного вещательного телевизионного стандарта верхняя граничная частота спектра телевизионного сигналаМГц). Величина, обратная периоду дискретизации, называется частотой дискретизации. Частота дискретизации, выбранная в соответствии с теоремой Найквиста-Котельникова, равна:, то есть частоте Найквиста.

Аналитическое выражение теоремы Найквиста-Котельникова, утверждающей возможность замены непрерывного сигнала последовательностью дискретных значений, имеет следующий вид:

.

Предполагается, что отсчеты являются-импульсами (беско­нечно короткими). Следовательно, исходный сигналпосле дискретизации можно представить в виде суммы:

,

где – дельта-функция;Т– период дискретизации.

Если выражение подвергнуть преобразованию Фурье, то получим

,

где и– спектры исходной и дискретизированной функций соответственно.

Из соотношения следует, что спектр дискретизированного сигнала представляет собой сумму исходного спектра (n= 0) и «побочных» или дополнительных спектров того же вида, но сдвинутых один относительно другого на,и т.д. (рис. 1.2). По форме они повторяют спектральную плотность исходного сигнала и группируются вокруг гармоник частоты дискретизации. Из рис. 1.2 видно, что с помощью идеального фильтра нижних частот (ФНЧ) с частотой срезаможно выделить спектр исходного сигнала при выполнении двух условий:

.

Чтобы восстановить сигнал с помощью реального ФНЧ, частота дискретизации должна удовлетворять условию: , гдеk> 1,k= 1,1 … 1,5.

Если же частота отсчетов выбрана меньше,то после дискретизации побочные спектры будут перекрывать основной, и в общем виде невозможно восстановление без помех исходного сигнала (рис. 1.3). Следовательно, условием отсутствия перекрытия побочных спектров в дискретизированном телевизионном сигнале, обеспечивающего гарантированное исходное качество при его обратном преобразовании в аналоговую форму с помощью низкочастотной фильтрации, является выполнение условия: МГц, что соответствует критерию Найквиста.

П

Рис. 1.3.Перекрытие спектров дискретизированного сигнала при

Рис. 1.2. Спектральное представление дискретного телевизионного сигнала:

а) спектр аналогового телевизионного сигнала; б) спектр сигнала после дискретизации

роцесс дискретизации изображения, как и в случае одномерного сигнала можно рассмотреть со спектральной точки зрения. Для этого введем понятие пространственных частот и пространственного спектра непрерывного изображения.

Для получения комплексного пространственного спектра изображе­ния применяется двумерное преобразование Фурье

,

где – значения двумерного сигнала изображения;– пространственные частоты.

Обратное двумерное преобразование Фурье позволяет по спектру восстановить исходное изображение

,

где хиy– соответственно горизонтальная и вертикальная координаты в плоскости изображения.

При этом низкие пространственные частоты соответствуют медленным изменениям яркости изображения по пространственным координатам, а высокие пространственные частоты – быстрым изменениям яркости, то есть мелким деталям изображения и резким перепадам яркости на границах объектов.

Преобразование пространственного спектра изображения при двумерной дискретизации показано на рис. 1.4. Пространственный спектр исходного изображения предполагается ограниченным в плоскости пространственных частот, то есть вне некоторой замкнутой кривой все частотные составляющие можно считать равными нулю. Как и в случае дискретизации одномерных сигналов, при двумерной дискретизации появляются побочные спектры, сдвинутые относительно исходного спектра по горизонтали и по вертикалина величины пространственных частот дискретизациии, соответственно.

На рис. 1.4 апоказан случай, когда в результате дискретизации побочные спектры не пересекаются с основным. Такой случай достигается при достаточно больших пространственных частотах дискретизации по обеим координатам. В таком случае возможно восстановление исходного изображения по дискретизированному с применением пространственного фильтра, выделяющего спектр исходного изображения из спектра дискретизированного изображения. Это является обобщением теоремы Котельникова на двумерные сигналы.

На рис. 1.4 бпоказан случай, когда побочные спектры перекрываются со спектром исходного изображения, что является следствием недостаточно больших значений частот дискретизации по пространственным координатам. В этом случае восстановление исходного изображения по дискретизированному без искажений невозможно.

Рис. 1.4.Пространственные спектры дискретизированных изображений в случаях выполнения (а) и нарушения (б) условий аналога теоремы Найквиста-Котельникова для двумерных сигналов

Конкретный вид искажений в изображении зависит от форм составляющих его объектов и особенностей его пространственного спектра. При наличии в исходном изображении хорошо выраженных периодических составляющих искажения могут проявляться в виде появления новых периодических составляющих, часто имеющих вид муара. Если исходное изображение содержит наклонные линии, то в результате дискретизации края этих линий становятся зубчатыми.

Искажения, возникающие при дискретизации, часто зависят от положения объекта относительно сетки частот дискретизации (сетки отсчетов), то есть являются случайными.

Чтобы дополнительных искажений дискретизации не возникало, необходимо выбирать достаточно большие по величине пространственные частоты дискретизации по обеим координатам. Однако в телевидении эти пространственные частоты фактически предопределены параметрами, задаваемыми в используемом стандарте разложения, то есть количеством строк и числом элементов (пикселей) в каждой строке.

Для согласования пространственного спектра изображения с параметрами телевизионной системы (количество строк и число пикселей в каждой строке) во многих случаях приходится ограничивать верхние граничные пространственные частоты изображения перед дискретизацией. Эта операция выполняется с помощью специальных оптических рассеивающих элементов, располагаемых перед ПЗС-матрицей или просто путем дискретизации видеосигнала во времени.

Выбор частоты дискретизации телевизионного сигнала во многом зависит от вида структуры отсчетов, то есть от относительного их положения на телевизионном экране, которая может быть фиксированной (отсчеты располагаются на одних и тех же позициях в соседних кадрах) или подвижной (отсчеты меняют свое положение). Искажения, возникающие в процессе дискретизации, менее заметны в фиксированных структурах дискретизации. Различают следующие виды фиксированных структур дискретизации: ортогональную,строчно-шахмат­ную и кадрово-шахматную.