12.3.2. Квантование телевизионного сигнала

Квантование сигнала– это замена мгновенных значений дискретного сигнала, ближайшими значениями из набора фиксировании: уровней (рис. 12.4).

Фиксированные уровни, к которым «привязываются» отсчеты сигнала, называются уровнями квантования.

Рис. 12.4. Квантование дискретного сигнала: – дискретные отсчеты сигнала;

– квантованные отсчеты сигнала

Расстояние между соседними уровнями называют шагом кванто­вания.

Разница между дискретным отсчетом сигнала и соответствующим ему квантованным отсчетом называют ошибкой квантования.

Процесс квантования осуществляется следующим образом. Меж­ду уровнями квантования располагают условные значения напряже­ния, называемые порогами квантования. Если истинное значение ди­скретного сигнала меньше порога соответствующего порога квантова­ния, то это значение округляется до ближайшего нижнего уровня квантования. Если истинное значение сигнала выше рассматриваемо­го порога – значение сигнала округляется до ближайшего уровня, расположенного выше данного порога. От того, как будут расположе­ны пороги квантования между уровнями квантования, зависит макси­мальная ошибка. Например, если пороги квантования совместить с уровнями квантования, то ошибка квантования может быть равна шагу квантования. Минимальная среднеквадратическая ошибка кван­тования получается, если пороги квантования располагаются посере­дине между уровнями квантования. Такие устройства дискретизации находят на практике широкое применение.

Ошибки квантования, рассматриваемые как дискретная функция времени, называют шумами квантования. Шум квантования на изоб­ражении проявляется по-разному и зависит от характера передаваемо­го сюжета.

В мелких деталях изображения шум квантования проявляется в форме случайной шумовой составляющей яркости. При передаче крупных деталей изображения помехи квантователя проявляются в виде ложных контуров: плавные изменения яркости превращаются в ступенчатые. Заметность ложных контуров уменьшается с увеличени­ем числа уровней квантования. Ложные контуры, как показывают эк­сперименты, перестают восприниматься, если шум квантования не превышает 0,5 – 1 % от размаха сигнала, что соответствует числу уров­ней квантования, лежащим в диапазоне 128 – 256 (2⁷ – 2⁸). Поэтому количество разрядов при квантовании ТВ-сигнала в двоичном исчис­лении выбирают обычно равным 7 – 8.

Для уменьшения заметности шумов квантования наряду с увели­чением числа уровней квантования используют неравномерное кван­тование. Как известно, приращение яркости , замечаемое зрите­лем, зависит от величины начальной яркости L. Величина возрас­тает с увеличением I, поэтому шкала квантования, в которой шаги квантования увеличиваются от нижней части к верхней, более соот­ветствуют природе зрения. Экспериментальные исследования под­тверждают, что неравномерная шкала квантования позволяет уменьшить число уровней квантования вдвое по сравнению с линейной шкалой без ущерба качества изображения.

Перед квантованием сигналов их максимальный размах приводят к стандартной величине. Эта операция называется компрессией сигнала. Компрессия сигнала осуществляется, потому что при работе с реа­льными сюжетами размах сигналов изображений может оказаться до­вольно большим, значительно превышающим динамический диапа­зон работы квантователя. Превышение уровня входного сигнала верхней границы динамического диапазона приводит к нелинейным искажениям сигнала, устранить которые в дальнейшем практически невозможно.