12.4.1.1. Функциональная схема устройства цифрового кодирования

Функциональная схема устройства компонентного цифрового ко­дирования второго вида изображена на рис. 12.11. В состав этого устройства входят кодирующее устройство сигнала изображения (КУ) и мультиплексор (Мх).

Кодирующее устройство имеет три входа, на которые поступают аналоговые сигналы основных цветов E_R(t), E_B{t), Е_G(t) из блока ка­мерного канала. Каждый из входных сигналов независимо от других преобразуется в цифровой сигнал в аналого-цифровом преобразовате­ле (АЦП) (_R, _B, _G).

Сформированные цифровые сигналы обрабатываются в блоках цифровой обработки (БЦО). Цифровая реализация операций над сиг­налами в БЦО в своей основе имитирует соответствующую обработку в аналоговых телевизионных системах (гамма-коррекция, апертурная коррекция, цветовая коррекция, фильтрация сигнала, формирование площадок обратного хода). В этих же блоках устраняется избыточ­ность цифрового сигнала.

— параллельный цифровой код (шина из 8 проводов)

— сигналы _R, _B, _G (три шины. 8 проводов в каждой)

Рис. 12.11. Функциональная схема устройства компонентного цифрового кодирования: КУ — кодирующее устройство; АЦП — аналого-цифровой преобразователь; М — матрица; БЦО — блок цифровой обработки;

К — коммутатор; Мх — мульти­плексор

В матрице (М) формируются сигнал яркости _Y и два цветоразностных сигнала _R-Y, _B-Y .

Коммутатор (К) направляет эти сигналы либо в аппаратно-студийный комплекс (АСК) для режиссерской обработки и видеозаписи, либо в мультиплексор (Мх).

АСК — комплекс оборудования для производства ТВ-передач с использованием сигналов от собственных и внешних источников. Оборудование АСК выполняет следующие функции:

• формирование сигналов текстовой и графической информации от устройств ТВ-буквопечати, заставок, испытательных таблиц и т. п. (так называемая дополнительная информация);

• обработка видеосигналов от собственных передающих камер средствами электронной рирпроекции (ЭРП), когда объекты переднего плана размешаются перед выбранным изображением заднего плана;

• создание управляемого режиссером готового комбинированно­го изображения из разнообразных источников (видеозапись, те­лекинопроекторы, собственные ТВ-камеры, внестудийные средства ТВ-вещания) с применением разнообразных художест­венных эффектов и средств перехода от одного изображения к другому;

• контроль изображений и сигналов;

• формирование звукового сопровождения телепередач;

• синхронизация различных источников ТВ-изображения и приемно-передающей аппаратуры.

При оптимальном решении обработки сигналов в АСК все опера­ции должны осуществляться в цифровой форме без промежуточных аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей.

Мультиплексор (Мх)— объединяет сигналы изображения, звука, дополнительной информации и синхронизации в объединенный (мультиплексированный) ТВ-сигнал в параллельном коде.

12.4.1.2. Некоторые вопросы формирования, преобразования и обработки цифровых сигналов в устройстве компонентного цифрового кодирования

Аналого-цифровой преобразователь.Примером простого АЦП мо­жет служить структура, изображенная на рис. 12.12.

Схема работает следующим образом. Аналоговый сигнал U(t) дискретизируется схемой выборки (СВ). Частота дискретизации равна частоте сигнала, вырабатываемого генератором (Г). Дискретизированный сигнал поступает на входы параллельно соединенных амплитуд­ных компараторов К1...Кn, где величина дискретного сигнала сравни­вается с формируемыми на резисторах R постоянными напряжения­ми U, 2U, 3U, ..., nU. На выходах компараторов, у которых входной сигнал превышает напряжение сравнения, генерируется стандартный сигнал, соответствующий логической «1».

Рис. 12.12. Аналого-цифровой преобразователь: СВ — схема выборки;

К1...Кn — компараторы; Г — генератор тактовых импульсов; КД — кодер

На выходах других компа­раторов выходной сигнал соответствует сигналу логический «0». Сиг­налы с выходов компараторов подаются а кодер (КД), на выходе ко­торого имеем в параллельном коде цифровой сигнал в форме ИКМ.

Фильтрация цифрового сигнала. Цифровые фильтры (ЦФ), подоб­но аналоговым фильтрам, выполняют операцию частотной фильтра­ции. Фильтрация сводится к преобразованию последовательности от­счетов входного сигнала х₀, x_1, x₂,..., х_т в последовательность отсчетов выходного сигнала y₀, y₁, y₂,..., y_n в соответствии с программой преоб­разования. При этом изменяется спектр входного сигнала требуемымобразом.

Для формирования выходного сигнала у_i в i-дискретный момент времени в цифровом фильтре могут использоваться настоящий и т Предыдущих отсчетов входного сигнала, а также п предшествующих отсчетов выходного сигнала. ЦФ осуществляет взвешенное суммиро­вание этих отсчетов входного и выходного сигналов таким образом:

где a₀, a₁, …, а_m, b₁, ..., b_n — постоянные коэффициенты, определяю­щие требуемые характеристики фильтра; х_i, х_i-1, … , x_i-m, — отсчеты входного сигнала; y_i-1, y_i-2, … , y_i-m — отсчеты выходного сигнала.

Обобщенная структурная схема ЦФ, соответствующая описанно­му алгоритму его работы, представлена на рис. 12.13,

Обычно операции умножения, сложения и запоминания сигналов выполняются на микроконтроллерах, однако ЦФ могут быть реализованы и на специальных устройствах сложения, вычитания и задержки дискретных сигналов.

Рис. 12.13. Структурная схема цифрового фильтра: ЛЗ — линии задержки на интер­вал дискретизации Т

На практике часто встречаются фильтры, в которых а₁ = а_2=... ... = а_n = 0. Такие фильтры называются рекурсивными. Существуют фильтры, у которых b₁ = b₂=... = а_n = 0. Эти фильтры называются нерекурсивными.

ЦФ находят широкое применение в технике обработки сигналов. Например, с помощью ЦФ можно разделить два и более цифровых сигнала с неперекрывающимися спектрами; можно осуществить кор­рекцию частотного спектра сигнала; можно увеличить соотношение сигнал/шум (так называемые гребенчатые ЦФ) и т. д. Все эти свойст­ва ЦФ реализуются путем синтеза определенной формы амплитуд­но-частотной и фазочастотной характеристик, сводящегося к подбору величин и выбору количества коэффициентов а_к и b_к. Цифровые фи­льтры обладают рядом существенных преимуществ по сравнению с аналоговыми. Сюда, например, относятся: высокая стабильность па­раметров, возможность получить самые разнообразные формы ампли­тудно-частотной и фазочастотной характеристик, ЦФ не требуют на­стройки и легко реализуются программными методами.

Одной из разновидностей цифровых фильтров является гребенча­тый фильтр. Он представляет собой устройство, позволяющее с помо­щью частотной фильтрации изменить степень заметности шума в вос­производимом изображении.

Основная идея, положенная в основу гребенчатого фильтра, за­ключается в следующем. При неподвижном изображении спектр ТВ-сигнала является дискретным и линейчатым. Спектральные линии отстоят друг от друга на частоту кадров. В то же время спектр шума является непрерывным во всей полосе частот сигнала. Спектральные компоненты шума, лежащие между составляющими сигнала, могут быть подавлены гребенчатым фильтром, пропускающим лишь часто­ты, кратные частоте кадров, т. е. спектральные линии ТВ-сигнала. При этом полная мощность спектра шума будет уменьшена и отноше­ние сигнал/шум возрастет. Реализация гребенчатого фильтра аналого­выми средствами довольно сложна.

Простейший гребенчатый фильтр изображен на рис. 12.14. Фильтр (Ф) состоит из устройства задержки (ЛЗ) на время, равное и сумматора.

Рассмотрим прохождение дискретной синусоиды через этотфильтр.

Как следует из рис. 12.14, б, дискретные синусоиды, для которых время задержки , кратно их периодуТ₀ ( = пТ₀, где n=1, 2, 3, 4, ...), на входе сумматора оказываются в фазе, и уровень их на выходе фильтра удваивается.

Рис. 12.14. Цифровой гребенчатый фильтр: а — структура фильтра;

б — прохождение дискретной синусоиды через фильтр при разных временах задержки ;в — ам­плитудно-частотная характеристика фильтра

В то же время дискретные синусоиды, для кото­рых =пТ₀+ Т₀/2, оказываются в противофазе на входах сумматора и поэтому компенсируются на выходе фильтра. Таким образом, ампли­тудно-частотная характеристика фильтра |H()| имеет максимумы на частотах_MAX = 2n/и нулевую величину на частотах_MIN = =2(n+0,5)/, (рис. 12.14,в).

Для того чтобы ТВ-сигнал «прошел» через гребенчатый фильтр, его составляющие должны располагаться на частотах, соответствую­щих максимумам |H()|. Откуда следует, что время задержки нужно выбирать из условия l/=F_K= 1/T_K, где F_K u T_K — частота и период кадровой развертки соответственно. Для европейского стандарта = 1/25 (с). Задержка в гребенчатых фильтрах реализуется на опера­тивном запоминающем устройстве (ОЗУ).

Апертурная коррекция.Апертурные искажения изображения воз­никают в ТВ-датчиках из-за конечных размеров поперечного сечения электронного луча-апертуры. Такие искажения приводят к размытию резких границ изображения крупных деталей и уменьшению контра- ста мелких деталей (рис. 1.7). Это происходит потому, что в попереч­ном сечении луча оказывается не только один элемент изображения, на который он направлен, но и соседние элементы, расположенные «слева», «справа», «вверху», «внизу». Сигнал на выходе трубки оказывается пропорциональным яркости всех этих элементов.

Для формирования сигнала, пропорционального яркости только одного i-элемента изображения, на который направлен луч, необходимо из суммарного сигнала вычесть взвешенные сигналы, пропор­циональные яркости соседних элементов. Однако этих сигналов в «чистом» виде также не существует. В первом приближении вместо них можно использовать сигналы, которые формируются во время прохождения луча через соседние элементы, т. е. другие, соседние, отсчеты того же сигнала. На выходе простейшего горизонтального корректора сигнал Е'(пТ) может быть представлен в виде

где Е(пТ) — отсчет входного сигнала, сделанный в момент времени пТ; кТ — время прохождения луча от рассматриваемого до соседнего элементов изображения; л,, а, — весовые коэффициенты; Т — интер­валы дискретизации.

Аналогичным образом осуществляется коррекция по вертикали. При этом в случае чересстрочной развертки сигналы, подлежащие «взвешенному» вычитанию, берутся из отсчетов сигнала предыдущего поля.

Практическая реализация рассмотренных алгоритмов апертурной коррекции осуществляется в арифметическом устройстве. Отсчеты сигнала берутся из оперативного запоминающего устройства (ОЗУ), в которое записаны цифровые сигналы предыдущего кадра.

Цветокоррекция.Цветокоррекция — это сопряжение спектраль­ных характеристик передающих трубок с характеристиками цветовос­произведения кинескопа, называемых кривыми смешения.

Под кривыми смешения понимается зависимость координат цвета монохроматического светового излучения от длины волны при мощности светового излучения 1Вт: (), (), (). При осуществле­нии цветокоррекции эти зависимости рассчитываются, когда в качест­ве основных цветов берутся излучения красного, синего и зеленого люми­нофоров кинескопа. (Следует помнить, что эти цвета отличаются от основных цветов, используемых в колориметрии.)

С другой стороны, под спектральной характеристикой передающей трубки понимается зависимость величины выходного сигнала от длины волны X при подаче на экран монохроматического светового потока мощностью 1 Вт. Выходные сигналы передающих ТВ-трубок E_R, Е_B, Е_G пропорциональны координатам цвета светового потока, па­дающего на экраны.

Очевидно, что для неискаженной цветопередачи необходимо, что­бы спектральные характеристики передающих трубок были подобны вышеупомянутым кривым смешения.

где к — коэффициент пропорциональности.

Иными словами, для неискаженной цветопередачи необходимо, чтобы координаты цвета светового потока, излучаемого кинескопом, были пропорциональны координатам цвета светового потока, падаю­щего на экраны передающих трубок.

Ошибки цветопередачи, вызванные отклонением спектральных характеристик передающих трубок от кривых смешения, корректиру­ются с помощью электронной матрицы.

Коррекция осуществляется в устройстве, называемом матричным цветокорректором. На вход цветокорректора поступают цифровые сигналы основных цветов _R, _B, _G. Эти сигналы умножаются на определенные коэффициенты а_ji и складываются. На выходе цветокорректора сигналы имеют вид:

Реализовать цветокорректор можно в виде 3-канального устройст­ва. Структура одного из каналов изображена на рис. 12.15.

Рис. 12.15. Структура одного из каналов цветокорректора

Регулировка уровней яркости ТВ-системы. Для качественного вос­произведения цветового ТВ-изображения требуется правильно сфор­мировать характеристику передачи уровней яркости ТВ-системы L_ИЗ=f(L₀), где L₀ — яркость оригинала; L_ИЗ — яркость его ТВ-изобра­жения.

Зависимость L_ИЗ=f(L₀) носит нелинейный характер. Это объясня­ется ограниченным диапазоном изменения яркости ТВ-экрана и осо­бенностями восприятия градации яркости человеком (раздел 1.4 на­стоящего пособия). При формировании требуемой характеристики L_ИЗ=f(L₀) необходимо учитывать нелинейность световых характери­стик передающей трубки, кинескопа и тракта передачи ТВ-сигнала.

Требуемая характеристика передачи уровней яркости формирует­ся с помощью устройства, называемого -корректором (рис. 12.16).

Обычно при формировании характеристики -корректора прене­брегают нелинейностями тракта передачи ТВ-сигнала, поскольку при правильном проектировании системы они оказываются незначитель­ными. Тогда можно считать, что на вход-корректора поступает сиг­нал, пропорциональный выходному сигналу передающей трубки. Уровень этого сигналаU_ВХ зависит от яркости передаваемого изобра­жения L₀ и определяется световой характеристикой передающей труб­ки U_ВХ(L₀).

Уровень сигнала на выходе -корректораU_ВЫХ определяет яркость изображения на экране кинескопа L_ИЗ, световая характеристика кото­рого L_ИЗ(U_ВЫХ).

Задаваясь требуемой характеристикой L_И3=f(L₀), располагая све­товыми характеристиками передающей трубки и кинескопа, можно определить требуемую характеристику -корректора:U_ВЫХ(U_ВХ). Пример такой характеристики приведен на рис. 12.16, б.

Цифровой -корректор может быть реализован на основе посто­янного запоминающего устройства (ПЗУ). Каждому квантованному уровню входного сигнала соответствует строго определенная ячейка ПЗУ. В эту ячейку записывается разностьмежду входными значени­ями сигналаU_ВХ и заданным U_ВЫХ. Выходной сигнал -корректора фор­мируется как сумма уровня входного сигнала и величины. Таким образом, получается требуемая градационная характеристика.

Рис. 12.16. Цифровой - корректор:а — структура; б — характеристика корректора