Выбор частоты дискретизации телевизионного сигнала

В вещании практическое применение получила фиксированная ортогональная структура, отсчеты которой расположены на телевизионном экране вдоль вертикальных линий периодично по строкам, полям, кадрам. Позволяя суммировать соседние поля чересстрочного разложения без потери разрешающей способности по горизонтали и вертикали, ортогональная структура дискретизации идеальна для выполнения различных интерполяций в преобразователях стандартов, аппаратуре видеоэффектов, устройствах 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 стандарты разложения 625/50 и 525/60. В связи с этим параметры цифрового кодирования телевизионного сигнала необходимо согласовывать с двумя стандартами разложения. Последнее обусловливает следующее требование: 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. Наименьшее кратное двум значениям строчной разверткиГц иГц соответствует значению частоты 2,25 МГц. Поэтому 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 получить 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. Данное свойство зрения обусловлено различными факторами, как физическими – флуктуационной характеристикой светового потока, так и психофизиологическими – 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 заключается в округлении полученных после дискретизации мгновенных значений отсчетов до ближайших из набора отдельных фиксированных уровней. Квантование представляет собой дискретизацию телевизионного сигнала не во времени, а по уровню сигнала(см. рис. 1.1в).

Фиксированные уровни, к которым «привязываются» отсчеты, называют уровнями квантования. Разбивая динамический диапазон изменения сигнала уровнями квантования на отдельные области зна­чений, называемые шагами квантования, образуют шкалу квантования. Следствием этого становится появление в сигнале специфических шумов, называемых шумами квантования, которые обусловлены различием между 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 сравнению с шагом квантования, то шумы квантования проявляются на изображении в виде ложных контуров. В этом случае плавные яркостные переходы превращаются в ступенчатые, и качество изображения ухудшается. Наиболее заметны ложные контуры на изображениях с крупными планами. Этот эффект усугубляется на подвижных изображениях. Когда собственные шумы аналогового сигнала превышают шаг квантования, искажения квантования проявляются уже не как ложные контуры, а как шумы, равномерно распределенные по спектру. Флуктуационные помехи исходного сигнала как бы подчеркиваются, изображение в целом начинает казаться более зашумленным.

Обычно используется линейная шкала квантования, при которой размеры зон одинаковы.

Число уровней квантования, необходимое для высококачественного раздельного кодирования составляющих цветового телевизионного сигнала, определяется экспериментально. Очевидно, что с ростом этого числа точность передачи уровневой информации возрастает, шумы квантования снижаются, но при этом растет информационный поток и расширяется необходимая для передачи полоса частот. 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. Недостаточное число уровней квантования 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 перепадах яркости.

Пороговая чувствительность глаза к перепадам яркости в условиях наблюдения, оптимальных для просмотра телевизионных передач, по экспериментальным данным около 1%, а это значит, что два соседних фрагмента изображения, отличающихся по яркости на 1%, восприни­маются как раздельные части изображения. 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. Следовательно, ближайшее число Sдвоичных символов (бит) в каждой кодовой комбинации, при которой ложные контура не видны, будет равным 7 (S= 7). Чтобы сделать оптимальный выбор значенияS, следует оценить уровень шумов квантования. Для количественной оценки влияния шумов квантования на качество телевизионного изображения целесообразно использовать специальный параметр – отношение сигнал/шум квантования, дБ.

В случае линейной шкалы квантования отношение сигнал/шум квантования _кв, дБ определяется следующей известной формулой [3]

где U– шаг квантования;m– число уровней квантования;S– длина кодового слова, то есть число бит, с помощью которых можно записать вдвоичной форме любой номер уровня квантования доm включительно ();mU– размах сигнала, подвергаемого квантованию;– результирующее напряжение шума квантования.

Если , тодБ. Очевидный недостаток семиразрядного квантования заключается в близости к порогу по шумам квантования и ложным контурам. Дальнейшие исследования показали, что для высококачественного раздельного кодирования телевизионного сигнала необходимо, как минимум, 8-битовое квантование.

В современных системах цифрового телевидения, как правило, применяется равномерное квантование прошедших гамма-коррекцию сигналов с числом двоичных разрядов АЦП , что дает число уровней квантования. При этих условиях шумы квантования на изображении незаметны.

На выходе АЦП полученный номер уровня квантования представляется в виде двоичного числа, то есть кодируется (оцифровывается). Обычно используется прямой двоичный код. Значения цифрового сигнала представляются числами от 00000000 до 11111111 в порядке нарастания их величины. Фактически используются не все 256 уровней 8-разрядного квантования (от 0 до 255), а несколько меньше. Обычно не используют полный динамический диапазон АЦП, если существует опасность его превышения в процессе эксплуатации. На практике пре­вы­шение динамического диапазона АЦП может возникать из-за эксплуатационной нестабильности уровня видеосигнала, появления выбросов при использовании фильтров с резким ограничением АЧХ, переходных процессов схемы фиксации уровня и др. Учитывая это, для аналого-цифрового преобразования видеосигнала предложено выделить только 220 уровней, а уровню черного и номинальному уровню белого поставить в соответствие уровни 16 и 235. Таким образом, предусматривается запас в 16 уровней «снизу» и 20 уровней «сверху» при положительной полярности видеосигнала. Это различие учитывает неодинаковость восприятия возникающих помех дискретизации на черном и белом.

Особые назначения имеют 0-й и 255-й уровни квантования. С помощью соответствующих им кодов передаются сигналы синхронизации.

Аналого-цифровое преобразование сигнала яркости описывается соотношением

,

где – аналоговый сигнал яркости, изменяющийся в диапазоне от 0 до 1 В (штрих, как это принято в технической литературе по телевидению, означает, что сигнал прошел гамма-коррекцию),– цифровой сигнал яркости, изменяющийся в диапазоне от 16 до 235,– операция округления числахдо целого.

При квантовании цветоразностных сигналов также предусматриваются резервные зоны – по 16 уровней квантования сверху и снизу. На АЦП поступают не сами цветоразностные сигналы ,, а компрессированные цветоразностные сигналы, формируемые в соответствии с соотношениями

,

причем значения сигналов иизменяются в диапазоне от –0,5 В до 0,5 В.

Коэффициенты компрессии взяты из условия, чтобы амплитуды цветоразностных сигналов, равные единице, достигались при передаче испытательных цветовых полос с 75%-ной яркостью.

Аналого-цифровые преобразования цветоразностных сигналов, в результате которых получаются цифровые цветоразностные сигналы C_RиC_B, выполняются в соответствии со следующими соотношениями [4]:

,

.

Так как цветоразностные сигналы являются двуполярными, и максимальные отклонения от нулевого значения в положительную и отрицательную сторону примерно одинаковы, 128-й уровень квантования должен соответствовать нулевому значению этих сигналов. Старший бит в цифровом цветоразностном сигнале показывает полярность аналогового цветоразностного сигнала.

На рис. 1.10 показано соответствие между уровнями аналоговых телевизионных сигналов и уровнями квантования для обычного тестового изображения в виде восьми цветных полос.

Рис. 1.10. Соответствие между уровнями аналоговых телевизионных сигналов и уровнями квантования в соответствии с РекомендациейITU-RBT601

В состав цифрового телевизионного сигнала согласно Рекомендации ITU-RBT601 входят синхросигналы. Перед началом активного участка каждой строки в конце строчного гасящего импульса передаетсясинхросигнал начала активной строки НАС(SAV–StartActiveVideo), а после окончания активного участка каждой строки в начале строчного гасящего импульса передаетсясинхросигнал конца активной строки КАС(EAV–EndActiveVideo).

Каждый из синхросигналов НАС и КАС содержит 4 байта. Первый байт состоит из восьми двоичных единиц, что соответствует десятичному числу 255 (в шестнадцатеричной записи FF). При использовании 10-разрядного квантования вместо числа 255 используется число 1023. Следующие два байта равны 0 (в шестнадцатеричной записи 00). Четвертый байт служит для передачи собственно синхронизирующей информации, которая позволяет идентифицировать первое и второе поля, полевые интервалы гашения, начало и конец интервала строки. Назначение двоичных разрядов последнего 4-го байта поясняется табл. 1.1.

Таблица 1.1